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人形機(jī)器人，末路還是光明的未來？

今年 11 月初在北京召開的 IEEE/RAS Humanoids 會議中，作者去聽了這樣一個 Workshop: Humanoid Robotics: Dead-end or Bright Future? (人形機(jī)器人，末路還是光明的未來？) 再結(jié)合當(dāng)前的形勢，比較有感觸，這里分享給大家。 01 整體發(fā)展情況約莫從 18 年下半年開始，相比較于人形機(jī)器人火熱發(fā)展的 2014-2016 年，現(xiàn)階段的發(fā)展可以說是進(jìn)入了螺旋式上升發(fā)展中的“平緩期”，即觸及到了天花板。典型體現(xiàn)為：近年來全球范圍內(nèi)人形機(jī)器人相關(guān)的科研項(xiàng)目和經(jīng)費(fèi) (Funding) 較少，重災(zāi)區(qū)是歐洲：先談?wù)剼W洲，歐盟最后一個人形機(jī)器人項(xiàng)目為 CoGiMoN，始于 2015 年 3 月，將在明年結(jié)束，從 15 年到 18 年這段時間內(nèi)，就沒有大型的歐盟人形機(jī)器人相關(guān)項(xiàng)目 (Funding) 再出現(xiàn)：歐盟 CoGiMoN 項(xiàng)目: European Community's Horizion 2020 robotics program （鏈接：https://cogimon.eu/news?page=4）再看看引領(lǐng)世界科技的美國，近兩年學(xué)術(shù)界鮮有亮眼的新型人形機(jī)器人面世，當(dāng)年可以說與波士頓動力齊名的 SCHAFT，也因找不到下家接盤而被谷歌母公司 Alphabet 關(guān)閉： Google is closing its Schaft robotics unit after failing to find a buyer （鏈接：https://techcrunch.com/2018/11/14/google-is-closing-its-schaft-robotics-unit/?guccounter=1）著名的 UCLA RoMeLa 很有意思地通過網(wǎng)絡(luò)捐贈的方式籌集大人形機(jī)器人的項(xiàng)目經(jīng)費(fèi) （鏈接：https://spark.ucla.edu/project/11565）日本算是在當(dāng)前不濟(jì)大環(huán)境中，人形機(jī)器人還在蓬勃發(fā)展的一支力量。今年 AIST 發(fā)布的 HRP-5P 算是科研界 18 年最亮眼的人形機(jī)器人了 (封面圖)，相關(guān)的視頻我會在文末分享給大家。日本情況稍微良好的主要原因在于：日本對于人形機(jī)器人有一種特殊的執(zhí)念（考慮高達(dá) & 新世界福音戰(zhàn)士等），再加上其機(jī)器人圈子的濃厚底蘊(yùn)和良好的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。縱使今年 6 月 Honda 宣布關(guān)閉 Asimo 項(xiàng)目，但 Honda 還是宣稱會堅(jiān)持人形機(jī)器人的研究，只是不再對外使用“Asimo”的名稱而已。國內(nèi)情況的話，因?yàn)楹芏喽忌婕败姽ず捅Ｃ茼?xiàng)目，我也不是圈子里的人，整體情況的了解可能會有一些出入。據(jù)我所知，近些年來比較活躍的專注于人形機(jī)器人的高校包括北理工，哈工大和浙大，但都面臨著一些技術(shù)瓶頸難以突破的問題。 02 面臨的問題和挑戰(zhàn) 1.缺錢首當(dāng)其沖的原因還在于經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，人形機(jī)器人的研發(fā)是相當(dāng)燒錢的，涉及到高精端硬件的成本，并且由于涵蓋的學(xué)科方向超多，一批高學(xué)歷、有經(jīng)驗(yàn)的科研、工程隊(duì)伍的人力成本也是不容小視的。全球經(jīng)濟(jì)衰退，屬于"奢侈品"的科研經(jīng)費(fèi)首當(dāng)其沖，以歐盟為例，當(dāng)整個科研經(jīng)費(fèi)的大蛋糕“縮水”時，在科研經(jīng)費(fèi)的分配上就會顯得更加謹(jǐn)慎和保守——即更青睞于有希望技術(shù)突破性的學(xué)科，反之現(xiàn)階段難以突破技術(shù)瓶頸且難以滿足公眾期望的人形機(jī)器人，就很難在和其他學(xué)科的競爭中勝出。同時也沒有過硬的實(shí)際市場剛需，投資人也不會輕易出這份大錢。 2.技術(shù)瓶頸 (w.r.t 市場需求) 說到技術(shù)瓶頸，我們就直接來談代表人形機(jī)器人領(lǐng)域技術(shù)巔峰的波士頓動力 (Boston Dynamics)。這里我們需要反問自己，是什么樣的技術(shù)瓶頸？這個瓶頸相應(yīng)的參考坐標(biāo)是什么？我覺得要把這個瓶頸的參考坐標(biāo)定在實(shí)際的市場要求上——即實(shí)際的市場要求人形機(jī)器人具備什么樣的技術(shù)指標(biāo)。客觀地來講，波士頓動力的 Atlas2 所展現(xiàn)出來的性能，已經(jīng)能夠足夠好地解決人形機(jī)器人基本的動態(tài)運(yùn)動性能問題 (Dynamics Locomotion)：但我認(rèn)為波士頓動力實(shí)際上面臨的挑戰(zhàn)更大，這里斗膽地去評判一下 Atlas2 離真正的市場應(yīng)用還差些什么：從 Demo 來看，沒有看到相關(guān)驚艷的手部抓取 (Grasping) 操作——這對于機(jī)器人進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用十分重要，動態(tài)的步行只是體現(xiàn)了機(jī)器人的移動能力，而操作性能就直接決定了機(jī)器人能夠去做什么；從特定而機(jī)械的應(yīng)用場景到復(fù)雜而靈活的真實(shí)生活，即從“弱人工智能”到“強(qiáng)人工智能”。所包含的方向太多：Perception, Learning, Computer Vision etc.. 這些都是離在 Atlas2 上實(shí)際落地應(yīng)用有很大一段距離；找準(zhǔn)實(shí)際的市場需求。什么樣的應(yīng)用場景是輪式、四旋翼和四足機(jī)器人沒辦法替代的，坦白來說，作者能想到的只有替代人的伴侶機(jī)器人或者性愛機(jī)器人 (請參考綾瀨遙的《我的機(jī)器人女友》，而非某寶上的充氣娃娃)。這個對技術(shù)上的要求會更高還涉及眾多倫理問題；合理的價格和可靠性。以當(dāng)前的技術(shù)水平來看，Atlas2 的實(shí)現(xiàn)成本無異于天價，從 Raibert 透露出他們經(jīng)常忙于修理機(jī)器人的狀況而言，可靠性離實(shí)際的市場應(yīng)用還有一定的距離； ...... 就更不要去談除波士頓動力以外的實(shí)驗(yàn)室和公司還在著手解決人形機(jī)器人的基本運(yùn)動性能問題，這種技術(shù)上離實(shí)際市場要求的性能差距實(shí)在太大，瓶頸太難突破。 3.公眾期望過高太多的科幻電影和失敗了 20 次只成功 1 次的學(xué)術(shù) Demo 把公眾對于人形機(jī)器人的期望拉得太高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 State of Art。可以說在 2015 年 Darpa Robotics Challenge (DRC) 時期，無論是公眾、學(xué)界和業(yè)界都對人形機(jī)器人的關(guān)注度和期望度達(dá)到了頂峰，DRC 也為推動人形機(jī)器人的發(fā)展起到了巨大的作用。但如果我們換一個角度來看 15 年的 DRC，就會發(fā)現(xiàn)人形機(jī)器人的技術(shù)水平還是非常初級的：首先是決賽成績的前幾名幾乎都較為"功利"使用了四足或輪式的方案，而非嚴(yán)格意義上的雙足人形機(jī)器人，如下：從左至右為 2015 DRC Final 的第 1-3-4-5 名，可以觀察到非嚴(yán)格意義上的雙足人形機(jī)器人 2015 DRC Final 摔跤集錦以這樣的視角來看，即使是在相對固定的特定場景任務(wù)中，雙足人形機(jī)器人的表現(xiàn)仍然是十分孱弱的。很自然的，很多來自其他領(lǐng)域的科研項(xiàng)目評審委員會或者投資人，也是屬于普羅“大眾”的一員，對人形機(jī)器人未來的發(fā)展前景產(chǎn)生質(zhì)疑無可厚非——我們明明只有 70 分的水平，通過項(xiàng)目上的努力推進(jìn)到 75 分，而大眾錯誤地估計我們已經(jīng)有了 80 分的實(shí)力，希望我們做到 90 分的水平，這 75 分與 90 分的差距帶來了極大期望上的落差。 03 作者的態(tài)度首先老生常談來闡述一下做人形機(jī)器人研究的意義：一方面，人形機(jī)器人在硬件本體設(shè)計、驅(qū)動器性能、運(yùn)動控制上的技術(shù)要求高，相關(guān)技術(shù)很容易轉(zhuǎn)化到其他自動化領(lǐng)域，諸如工業(yè)機(jī)械臂，四足機(jī)器人，AGV 等；另一方面，由于其擬人性 (Anthropomorphic)，人形機(jī)器人是未來最有潛力融入人類的生活的機(jī)器人，考慮使用為人類設(shè)計的工具和進(jìn)入為人類設(shè)計的生活和工作空間。對于人形機(jī)器人的未來，我們可以換個視角來宏觀地參考汽車工業(yè)發(fā)展的時間線：早期汽車發(fā)展歷史 (The evolution of automobile at early stage ) 從上圖中我們可以看到，從第一臺蒸汽動力車輛問世到福特 T 型車從流水線量產(chǎn)走向市場，足足花了 129 年的時間 (1779-1908)，而驅(qū)動的革新，即從蒸汽機(jī)到柴油發(fā)動機(jī)就用了足足 103 年的時間 (1779-1882)。對于人形機(jī)器人，會不會有比當(dāng)前電機(jī) (Elector-Magnet) 和液壓 (Hydraulic) 驅(qū)動，更為高效、緊湊、可靠，同時具有更高輸出能量密度和更低成本的新型驅(qū)動方式出現(xiàn)，我們很難去做預(yù)測，誰也不清楚。雖然波士頓動力的 Atlas2 所使用的液壓驅(qū)動方案展現(xiàn)了很強(qiáng)勁的運(yùn)動性能，但現(xiàn)有技術(shù)下的實(shí)現(xiàn)難度和成本還是過高了，能量效率也是個有待解決的問題，因此還沒達(dá)到作者腦海中最為理想的驅(qū)動方式，因此作者認(rèn)為當(dāng)前人形機(jī)器人還處在等待驅(qū)動方式革新的階段。無論如何，任何技術(shù)的發(fā)展都不太會存在斷崖式的突破，對于"人形機(jī)器人，窮途末路還是光明未來？" 作者也是相當(dāng)迷茫的。悲觀來說，如果缺乏像尼古拉斯·特斯拉這樣天才人物的出現(xiàn)而帶來革命新的技術(shù)突破，很有可能我們這代從業(yè)者都是人形機(jī)器人發(fā)展進(jìn)程中的一粒塵埃。短期的將來（未來 10 年）作者對學(xué)術(shù)界人形機(jī)器人的研究尤其悲觀，太多的時間都給了真的不太有用但必須要有的 paper 和向人”伸手要錢“的 proposal 之中，唯一的希冀還是在 Marc Raibert 的波士頓動力。最后再分享一下開頭提到的 IEEE/RAS Humanoids 的 Workshop (Humanoid Robotics: Dead-end or Bright Future?) 的一些關(guān)鍵結(jié)論給大家：我們花了將近 30 年的時間去開發(fā)適用且可靠的商用力矩控制的機(jī)械臂，人形機(jī)器人無疑要復(fù)雜得多，并且包含更多的技術(shù)方向，因此可能需要更長的時間。但是，如果需要的時間是 100 年，那可能毫無意義，因此，當(dāng)涉及人形機(jī)器人的應(yīng)用時，我們首先應(yīng)該采取較小的步驟（即從一個很小的突破口出發(fā)，找尋非常具體和有限的應(yīng)用 / 商業(yè)模式），以便能夠?qū)崿F(xiàn)至少一些初步的商業(yè)成功和盈利。如果沒有，社會和創(chuàng)始機(jī)構(gòu)可能會放棄并長期停止對人形機(jī)器人研究的支持。飛機(jī)制造業(yè)可能是近期人形機(jī)器人應(yīng)用的一個很好的落地方向，因?yàn)檫@種行業(yè)需要復(fù)雜的操作，并且相對富裕，以至于能夠負(fù)擔(dān)得起這樣的機(jī)器人。另一個很好的落地場景是娛樂業(yè)和人形機(jī)器人作為玩具的應(yīng)用。 PS: 作者認(rèn)為人形機(jī)器人在飛機(jī)制造業(yè)、娛樂業(yè)和作為玩具的需求現(xiàn)階段都是”偽需求“。 HRP-5P 重物搬運(yùn)與相應(yīng)操作上述視頻的整個過程是沒有人工的遙操作 (tele-operation)，完全基于機(jī)器人的自主操作 (autonomous) 。據(jù) AIST 的人講，這段 34s 的 Demo 前后調(diào)試了一年多之久。

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