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| 本文作者： 人工智能學家 | 2015-11-24 12:31 |
【編者按】美國密歇根州立大學電氣及計算機工程系杰出教授、中國科學院沈陽自動化研究所的席寧在機器人大會上作題為《超限機器人技術：應用與挑戰》的報告。
原文來自人工智能學家的整理：《人工智能與機器人專家發言全記錄（上），2015 世界機器人大會速遞》。為方便閱讀，雷鋒網做了不改變原意的編輯。
機器人是一個多學科、綜合性的領域。 機器人發展的動力來自兩個方面：
一是新技術發展的推動，二是新應用的拉動。
從這兩個方面，推動和拉動了機器人技術的發展。所以我們從新技術的出現和新應用的出現來談一下機器人的發展。
當機器人最開始出現的時候，機器人和人在同樣的環境里進行工作，發展機器人主要的目的是代替人。由于信息技術的發展，從機器人簡單地代替人，現在發展到可以擴展人的能力，機器人除了能夠干一些人能干不想干的工作以外，還能干一些人干不了工作。比如機器人聯網后，我們人可以通過網絡控制遠處的機器人，就可以做一些人夠不著、摸不著的事情，所以信息技術給機器人的提供了新的動力，同時也提供了新的應用。
另一方面，納米和微納米技術的發展也給機器人提供了新的應用領域。
比如在微納米領域，最具有挑戰性的問題就是環境非常小，我們要操作的位置也非常小，是看不見、摸不著的，現在機器人把原來看不見、摸不著的東西變得能看到、能摸著，擴展了人在微小環境里的加工能力。生物技術的發展也給機器人提供了很多新的應用領域，但是生物領域跟傳統的制造業不太一樣，因為細胞生活在特定的生理條件下，要把機器人技術推廣到這個領域，不僅是操作的物質很小，環境也很特別。
所以從這三個方面講，機器人能夠擴展人的能力，能夠克服距離給人帶來的困難，也能克服尺度給人帶來的困難，還能夠克服環境給人帶來的困難，比如生理環境。綜合起來，機器人除了簡單地代替人以外，還能拓展人的能力，這就是我們所說的超限機器人，超越人的限度，克服距離、尺度和環境給人類帶來的困難。
下面講一下這方面我們做的具體工作。
機器人最重要的應用就是自動化，機器人是自動化的工具。但是要達到自動化的目的，首先要有機器人，同時還要有傳感器，這兩個東西結合起來才能產生自動化。
因為通過傳感器可以把物理世界的信息變成數據，通過對數據的分析可以作決策，反過來作用到物理世界上，這就是自動化的過程。
現在機器人和傳感器變成了一個從信息世界、數據和物理世界中間的交互工具，所以機器人從簡單的代替人的工具變成了一個互聯網基礎設施，這個就是信息技術發展帶給機器人的新角色。
通過機器人聯網，我們可以形成所謂的物聯網，機器人通過傳感器可以監測環境，同時還可以通過物聯網和機器人可以遠程使用加工設備進行加工。
這樣可以把原來距離給人類帶來的困難通過機器人技術和網絡技術克服了。同時還可以通過網絡進行一些醫療的診斷和治療，通過網絡讓機器人做一些安全和國防方面的工作。
我們通過網絡和機器人的結合，可以進行遠程的感知和操作。這樣，網絡不僅能夠傳播信息、數據、聲音等多媒體信息，現在通過網絡還可以傳播動作、感覺，把這些動作、感覺和傳統的聲音、圖像結合起來，就要叫超媒體。
這有什么應用呢？
首先可以通過互聯網支持遠程醫療服務，進行乳腺癌的遠程診斷。
我們知道乳腺癌傳統的診斷手段是通過 X 光，但是 X 光診斷只能診斷出 80%左右的腫瘤，由于腫瘤的位置和大小的不一樣，有 20%不能通過 X 光診斷，要通過醫生用手摸的辦法來診斷。這個就跟醫生的經驗很有關系，在很多邊遠地區沒有這種有經驗的醫生，我們通過機器人技術和網絡技術結合起來，醫生可以通過網絡進行診斷，機器人不僅可以操作，本身還有傳感器，可以把病人身體上的感覺通過網絡傳到一個遠程的地方，通過裝置再現出來，這樣醫生在遠程通過裝置和機器人就能夠感覺到機器人感覺的信息，醫生就可以直接對這個病人進行診斷。通過網絡和機器人把病人和醫生之間的距離拉近了。
在制造方面，現在很多工廠都是由于勞動力價格的原因設置在別的國家。
比如說美國汽車的座椅是在美國設計的，但是生產可能在墨西哥生產，所以要對座椅的質量進行檢測。怎么檢測呢？是人摸這個椅子，感覺軟硬程度進行打分，判斷這個椅子達沒達到要求。
但是遠程的情況下通過機器人技術，機器人帶有傳感器，通過機器人摸這個椅子，把感覺通過網絡傳過去，設計人員在遠程摸這個裝置，跟直接摸這個椅子的感覺是完全一樣的，這樣能夠進行質量控制以及幫助他們進行設計。通過機器人和網絡技術就把生產和設計中間的距離縮短了。同時我們還可以用這種技術進行客戶定制，比如你現在去買車，每個椅子都是一樣，但是如果有這個機器人技術，通過數學模型把感覺再現出來，買車的時候可以一直摸，直到選出合適的，然后根據數據造出一個椅子，滿足你的需求。這里主要的觀點是通過機器人技術把設計、生產和用戶之間的距離縮小了。
微納米技術給機器人的發展有什么推動和新的應用？
我們知道微納米技術的發展重要的方面是出現了很多新的材料，如納米碳管、石墨烯，把這些材料變成有用的裝置，比如傳感器、電子元器件，其中很重要的過程就是制造過程。
在制造過程中，我們需要有工具，還有一些加工過程。我們有車床、銑床和裝配的過程。但是在微納米領域，由于材料尺寸非常小，看不到也摸不著，就給加工帶來了很多困難，要做到這一點首先要開發一些新的工具和新的制造手段，這樣才能把微納米材料變成變成有用的元器件。
機器人技術就在這里面起到了一個很重要的作用，幫助人們把原來看不到、摸不著的，變成了能看到、能摸著的，還可以進行裝配和生產。我們開發了一套微納米的機器人，這個機器人可以把納米環境中物質之間的作用力直接拓展，讓操作者可以感覺到，這樣可以直接控制微納米機器人，對微納米尺度的物質和材料進行操作，而且可以自動的進行操作和裝配。
舉一個例子，這個是一個納米線，在納米線里黑的箭頭就是納米機器人，通過納米機器人的操作，我們可以自動的把納米顆粒進行移動，把納米線進行移動，把它裝配成你設計的形狀。
其中的CAD 模型，就設計了一個三角形，把納米線弄成三角形，把三個納米顆粒放在中間。由于這個設計，可以自動轉化成機器人的裝配程序，納米機器人自動按照一定的順序把這個材料裝配起來，整個過程是自動的。
我們納米線的尺度只有 100 納米，頭發的平均直徑是 100 個微米，這個就等于是 100 千分之一頭發的直徑，是非常小的。
我們通過這個技術開發了一套生產制造系統，直接對納米線的加工進行裝配。
首先是納米線和納米碳管，把它做成傳感器，這里面包括從材料的選取、裝配、電特性的測試到分裝的整個加工過程，通過這個過程制造納米器件和傳感器。通過這個制造了一個紅外傳感器，由于納米線有很多獨特的性質，比如熱噪聲非常小，靈敏度非常高。所以用納米線做出的紅外傳感器靈敏度高，而且由于它的熱噪聲小，也不需要冷卻系統，所以能夠做出高靈敏度、小體積的紅外傳感器。
但是要做到這一點主要的困難是必須有可靠的加工裝配手段，因為納米碳管必須做的非常非常小，傳統的做法根據沒有辦法裝配出納米紅外傳感器。
再講一個納米機器人在生物醫藥領域的應用，我們知道機器人技術最成功的應用領域是制造業，特別是汽車制造業。
我們今天早上說過 90%的工業機器人都用于汽車制造的過程。而生物醫藥領域的產值遠遠大于汽車行業，但是在新藥開發的過程中，很多過程都是人工的。裝配汽車一般的技術工人是高中畢業就可以了。但是在新藥開發過程中研究人員至少要大學畢業，很多是碩士、博士，所以開發成本是非常高的。怎么把這個過程自動化是一個非常重要的工作，是今天醫藥行業面臨的一個很大的挑戰。最重要的一點是我們希望怎么把機器人的技術用于新藥開發的過程。
其實最簡單就是要解決三個問題，一個是傳感器感知的問題，在新藥開發里面試驗做新藥，要有辦法測量藥效，這是一個感知的過程。同時要有一個操作的過程，就是把藥放到指定的地方，控制整個過程。怎么把原來在汽車制造業的技術用于新藥開發，如果能夠做到這一點，經濟效益會非常高。
但是這里面臨著很大的挑戰，為什么？
汽車里面的零件都是人設計的，尺寸都一樣的，有誤差但是很小，是一個結構性的環境，對機器人做高速重復性工作是很有利的。但是在新藥開發的過程中要實驗，可能在細胞上試驗，每一個細胞長的不一樣，位置也不一樣，是非結構性的環境，怎么克服這個環境，能夠把機器人用于新藥的開發，是一個很重要的技術問題。
現在開發一個新藥要 10-15 年的時間，要花 10-15 億美元。像輝瑞制藥這樣的公司每年只能開發出 1-2 個新藥，花費的錢很多。人類卻不斷出現新的疾病，病越來越多，研發藥物的費用越來越高，出現的新藥越來越少，是人類面臨的很大挑戰，解決這個問題重要的途徑就是把新藥開發的過程自動化，如果能夠自動化，帶來的效益是非常高的。
整個汽車行業的價值是 8650 億美元，人們估計機器人和自動化技術產生了 6560 億的價值，如果不用機器人、自動化，現在的產值也就 2000 多億，自動化和機器人帶來了 6000 多億的產值。如果用同樣的模式把這個轉移到制藥工業，比汽車產值大，達到 9800 億，而且自動化程度非常低，潛在的價值有 6800 多億的空間。如果能夠成功的把機器人和自動化用于新藥開發，產生像今天汽車工業這么大的應用，能夠創造五六千億的價值，這是潛在非常大。但問題和挑戰也是很大，困難也是很多的。
我們在這方面做了一個工作，我們要開發一套自動化的系統，就像今天的生產自動化一樣，不是裝配零件而是開發新藥，傳送帶送來的都是細胞，用機器人把藥物放在細胞上這是一個操作過程，同時進行測量，看藥物的效果，這樣要高速的進行這個過程，這樣才能提供效率，在短時間內對大量的藥物直接在細胞上進行篩選，就可以提高新藥開發的效率。要做到這樣，需要操作、傳感、控制，這就是機器人技術在里面起到的作用。
下面舉兩個具體的例子。一個是我們跟沈陽自動化所合作進行的研究。
我們知道淋巴癌是非常致命的一種癌癥，死亡率非常高。但是現在人們開發了一種靶向治療藥物，這種藥物在淋巴癌細胞上有一個靶點，叫 CD20，它是一個受體，如果把這個美羅華這種抗體結合到 CD20 的受體上，就可以把癌細胞殺死。這個對放療和化療都有好處，因為做化療不管是正常細胞還是癌細胞都殺死，把人的免疫能力破壞了，所以副作用特別大，但是這個沒有副作用，所以叫靶向治療，它只殺癌細胞。但問題是有很多人雖然有同樣的淋巴癌，但是沒有效果，有些人卻很有效果。
這是一個很重要的問題。在你進行治療之前，如果你能夠預測治療的效果，對醫生進行治療的決定一個很重要的信息。
但是在治療之前，你怎么能知道治療效果呢？
現在我們就開發了一種技術，把病人的瘤細胞取出來，用納米機器人把美羅華的抗體抓起來，直接放到 CD20 的受體上，然后進行測量，看看能不能把癌細胞殺死。我們發現同樣的癌細胞，CD20 和美羅華的結合率是一樣的。如果結合率太小殺不死癌細胞，結合率大就可以殺死。
有了這項技術就可以在治療前把病人的癌細胞取出來，然后進行測量，看看美羅華能不能把癌細胞殺死，如果能夠殺死的話，我們再進行資料，這樣的話就能夠預測治療的效果，給醫生對病人的治療方案起到了很重要的作用，不僅節省病人的費用，同時也節省了很多時間。我們用納米機器人把美羅華的分子抓起來，放到病人 CD20 的受體上進行測量，通過對測量結果的大量統計，我們會獲得數據，知道當結合率達到一定程度的時候治療結果是怎樣的，這樣給醫生提供重要的信息，對于癌癥的治療起到很好的作用。
再有一個工作是幫助新藥開發。我們知道很多人的聽力不好，為什么？
人的耳朵里有一種絨毛細胞，我們說話的時候，絨毛會震動，絨毛通過震動打開了與細胞上的離子通道，然后離子進入細胞，然后從這個細胞傳到神經上，人們就能夠聽到東西，這是聽力的過程，很多人的絨毛細胞有問題。通過振動產生、打開了細胞上的離子通道，離子電流進入細胞，這個細胞傳到神經上，人們就能夠聽到東西了，這是聽力工作的過程，但是很多人的絨毛細胞有問題，機械震動以后打不開離子通道，就產不了離子電流，所以就會聽不到或者某些頻道的聲音聽不到。
在治療這種病人時，可以通過實驗就知道某種細胞有作用或者沒有作用。做要這一點要有手段，第一要把藥物放進去，第二要對細胞進行測量，還要有辦法測量離子通道，我們開發了一套系統，通過納米機器人，可以產生這種直接推動絨線同時測量離子電流，這樣的話在小的環境中，我們就可以對藥物進行高速的篩選，開發出新的藥物就治療跟絨線細胞有障礙的有關的聽力的問題。
今天講這幾個例子主要想說明一點：
機器人技術除了代替人以外，更重要還能拓展人的功能，能夠做一些人做不到的事情，通過跟信息技術結合可以在遠出進行感知和控制。
通過納米機器人可以在微小的環境中進行感知和控制，能夠克服由于距離、尺度、環境給人帶來的困難，然后進行操作和控制。在我們看不到的空間里有一個廣泛的空間。機器人除了代替人在我們的范圍內有廣泛的應用以外，我們再走一步，在看不到、摸不著的環境里，機器人同樣可以起到很大的作用，創造很大的價值，為人類做出很大的貢獻。
謝謝大家。
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