机器人感知与传感器技术的未来发展

       传感技术同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱。从仿生学观点，如果把计算机看成处理和识别信息的“大脑”，把通信系统看成传递信息的“神经系统”的话，那么传感器就是“感觉器官”。传感技术是关于从自然信源获取信息，并对之进行处理(变换)和识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术，它涉及传感器(又称换能器)、信息处理和识别的规划设计、开发、制/建造、测试、应用及评价改进等活动。 

       获取信息靠各类传感器，它们有各种物理量、化学量或生物量的传感器。按照信息论的凸性定理，传感器的功能与品质决定了传感系统获取自然信息的信息量和信息质量，是高品质传感技术系统的构造第一个关键。信息处理包括信号的预处理、后置处理、特征提取与选择等。识别的主要任务是对经过处理信息进行辨识与分类。它利用被识别(或诊断)对象与特征信息间的关联关系模型对输入的特征信息集进行辨识、比较、分类和判断。因此，传感技术是遵循信息论和系统论的。它包含了众多的高新技术、被众多的产业广泛采用。它也是现代科学技术发展的基础条件，应该受到足够地重视。 

       为了提高制造企业的生产率(或降低运行时间)和产品质量、降低产品成本，工业界对传感技术的基本要求，是能可靠地应用于现场，完成规定的功能。 

       现状及国内外发展趋势 

       一、现状 

       无论是国内还是国外，与计算机技术和数字控制技术相比，传感技术的发展都落后于它们。从80年代起才开始重视和投资传感技术的研究开发或列为重点攻关项目，不少先进的成果仍停留在研究实验阶段，转化率比较低。 

       我国从60年代开始传感技术的研究与开发，经过从“六五”到“九五”的国家攻关，在传感器研究开发、设计、制造、可靠性改进等方面获得长足的进步，初步形成了传感器研究、开发、生产和应用的体系，并在数控机床攻关中取得了一批可喜的、为世界瞩目的发明专利与工况监控系统或仪器的成果。但从总体上讲，它还不能适应我国经济与科技的迅速发展，我国不少传感器、信号处理和识别系统仍然依赖进口。同时，我国传感技术产品的市场竞争力优势尚未形成，产品的改进与革新速度慢，生产与应用系统的创新与改进少。 


       二、机器人技术 

       机器人的研究从一开始就是拟人化的，所以才有机械手、机械臂的开发与制 作，也是为了以机械来代替人去做人力所无法完成的劳作或探险。但近十几年来，机器人的开发不仅越来越优化，而且涵盖了许多领域，应用的范畴十分广阔。大而言之，用之于太空开发，月球车，深海探测器，海洋石油开采，航天飞机机械臂等，小至微型手术机械，生命监测仪等。军事上的用途更是日新月异，从拆弹器、清除地雷器到无人驾驶飞机、战车，有人甚至预测未来战争可能如星球大战一样，是机器人的战争。至于工业、农业、遗传生物产业、医学、文化产业、电讯业、能源开发，都将因机器人的大量登场而出现产业革命。英国电讯公司未来学部门研究员曾因准确预测手机短讯、垃圾电邮及网上搜寻引擎的出现而闻名，在最近公布的科技展望五十年的预测中，其中就有数条是关于机器人的。 

       毋庸置疑，未来的机器人将会朝着三个方面发展： 

       1.与人类社会的生活更为密切地结合起来，以为人作出更多的服务作为要素 

       二十年后，家中扫除、清洁的工作或老人的护理保健的工作可能全由机器人取代。

       美国旧金山的医院已开始使用机器人为病人送药、配药的服务。美国的阿伊机器人公司的总裁接受媒体采访时表示，该公司生产的家用大扫除机器人产品，2002年只有一百二十万美元销售额，到2004年已猛增10倍以上。还有，家居的全自动化，无需驾驶的自动汽车，等等，实在无法一一计数或作出预计。 

       2.仿生性，生物性的大趋向 

       以趣味性、生物性来制造机器狗、猫、鱼等动物。譬如日本三菱重工附属公司Ryomei Engineering研制成功的金色机械鱼“金鱼虎”长1公尺，重25公斤，是一只不小的巨鱼，能自动畅游于水中，可协助监察桥梁的保安和搜集鱼汛的情况，监视河水污染等。索尼公司研制的Aibo机器狗会对主人声音有情绪反应，已能够模仿喜怒哀乐和恐惧等情绪，将来可出现代替真正导盲犬的机器狗。另外，电影《侏罗纪公园》的恐龙机器人等也是例子。这类仿生性机器人还被广泛用于军事上的侦察救险、情报传送，甚至杀敌于无形的手段上去。美国夏威夷大学设有水下机器人研究中心，已具相当规模。今年八月初俄罗斯迷你潜艇在海底为渔网所缠，困于190米下的深海，就得助于英国的“天蝎”号救援艇之助而脱险的，“天蝎”号就是海底机器人。 

       3.最重要的发展是人性化 

       今年三月至九月于日本爱知举行的万国博览会，被称为机器人的大集合之展览会，有人甚至将之称作“机器人万国博览会”，从中亦可看出日本的这一产业优势及成果。在展场中，接待处、大会清扫工作、警备工作等，多以机器人的形式出现与取替。博览会期间还举办多项人与机器人有关的活动，其中最引人注目的还是人工智能及人性化的机器人的表演，譬如接待处的一位女性机器人能听、说六国语言，而且说话时眼、嘴皆会动，面部肌肉也有活动。大阪大学工学院在人工智能机器人的开发方面有不俗的成绩，石黑浩教授制作“Actroid Repliee”，以“电视台新闻播音员”的外貌现世，其手、头和上身皆可自如活动，外形逼真，惟妙惟肖。还有造型奇特有趣的高尔夫球机器人“坎迪— 5”，它内置整个高尔夫球场的3D地形和球会会员的资料，并设置有全球卫星定位系统，能作360度自如旋转，它的系统将愈加精密，并更具人性化，科学家预计在2020年完成其全部制作时，它可充当球僮并可从旁给予击球建议。此外，尚有具“视觉”、“味蕾”的机器人，它的红外线测定可以对食物及饮品的成份、含量马上作出判定，譬如将一只苹果摆在其手臂前，可以打印出该只苹果的糖份、维生素含量等。最引人注目的是机器人管乐队的演奏，以机器人演奏真正的乐器，而且队形不断变换，演奏技术臻于上乘。东京大学于今年八月公布已开发出人的仿真性皮肤，可如人一样感受冷热、痛楚、温度反应，甚至一些人的皮肤未具有的功能都可以设定，这对仿造机器人的生命性又是一大进步。凡此种种，不一而足。 

       在世纪之交，生物遗传工程因“克隆人”的出现而引致伦理、法律及道德问题的争议，“克隆人”能否问世仍然是一个未知数，但机器人的研发正在取而代之，以越接近人性化为追寻目标。因而还为之出现了新的名词，比如人工智能(Artificial Intelligence，简称AI)，并以下述二个英文名字用来指人类模样的机器人：androids和humanoids。西方的电影导演在谈到影视中出现的非常人性化的机器人时，更常常使用这些有明确倾向的专用词： 

       A、变得人性化—humanize(v.) 

       B、人性化的—humanized(adj.) 

       C、人道、仁慈—humanity(n.) 

       我国的机器人研发工作基本上属于科学研究的项目，据说，中国科学院目前已造出说话时嘴唇能够活动、眼睛能转动、具视觉功能的机器人，其水准可媲美日本同行，但这台机器人体形甚大，却未能以双脚走路。在日本，机器人能否以二脚行走已成为一个热门及熟练的技术竞赛项目，譬如有“二足机械人竞赛大会”(分等级)。其实，机器人的制作绝对并非只是液压机械与电子产品的混成物，要将机器人造得越来越有人性化，就要兼及生命医学、传感、光学及创造性的文化产业等方面，比如机器人的关节就需要研究中医的经络学、生物学上的神经刺激反应以及文化产品的某种造型特征(其中很重要的是民族特征的外表)等等。英国的科学家甚至预言，到2020年，随着机器人愈来愈精密和使用有机零件制造，它们将会受到“机器人权”的保护。 

       在美、日、德、法、韩等国，机器人产业的开发正在日受重视，一般采取所谓的“官产学”形式。“官”即政府的制定政策及倾斜支持，调整产业结构。据情报显示，日本政府正在调整全国的产业制造结构，名古屋中部地区的未来产业为新型汽车工业，以大阪为中心的关西地方将以机器人产业为主，东京地区以资讯情报化为中心，等等;“产”即产业界的自我分类的研究与开发，并将之变成产品，取得经济效益;“学”即学校设置专门的课程(学科)，教材则与以往不同，非全盘为学校教授所写，有一些则由产业研究所编写教材，利用电脑技术介入，反过来向大学师生出售。而专门出售机器人制作的教科书、教材及装配零件、专门杂志等也已成行成市，许多公司改变既有行业，转而生产为此服务的产品。那么，这是否将导致一场工业革命?现在断言尚为时过早。但可以预计的是，未来20年，机器人产业将成为未来新产业的一个领先潮流，在现代化的高科技战争中，机器人将发挥越来越大的战斗作用，从而减少前线士兵的人命伤亡，并以奇技利器克敌制胜。 

       现在，世界上先进的工业化国家都十分注重机器人的研究开发、实用化及事业化(产业化)的动向，投入大量的资金、人力，优化环境及指标，特别是重视培养年轻一辈对此一未来科学的兴趣，吸引他们的投入，以形成人材梯队，锻造出新的产业队伍。除了编造教材，进行普及性教育宣传(譬如针对小学生举办夏令营、体验性教育、博物馆实验课程等等)，而且结合新的好莱坞电影及文化产品的出现而应时地制造玩具型机器人，以流行包装及合适的语言带起新潮流，营造时尚、新潮的气氛及环境。 

       举办各类竞赛已成为机器人研发热潮的一个新动力。机器人的国际比赛，目前以“机器人世界杯锦标赛”最具国际性，每年举行一次，于世界各地举行。这是比照足球世界杯比赛的形式而策划的。这是一个集高新科技、娱乐性及竞技性的大型比赛，吸引了大量青少年观众。2004年的比赛于葡萄牙首都里斯本举行，参加国家有37国共346队，约1600名选手(基本上是年轻人)参赛。今年7月中，这个世界杯锦标赛移师日本大阪，共有30个国家的代表队(实际出场330 队)，约2000名选手参赛，盛况空前。会后又举行了学术研讨会，为让大家共享有关资讯而倡导全面公开理论技术方面的资料。中国科技大学、浙江大学等代表队在这次比赛中有所斩获，取得不俗的佳绩，但得奖最多的则是日本及欧美国家的代表队。明年的比赛将在德国(柏林)举行。至目前为止，全球共有40个国家的 4000人以上的研究者参与此一活动。今年8月27日，由亚太广播电视联盟主办的“ABU机器人大赛”在北京航空航天大学体育馆举行，由中国广电局及中央电视台作为东道主，亚太地区大学生机器人代表队将在这里一决高低。 

       开展不同级别、科目、门类的比赛，在日本全国各地最为蓬勃。以“ROBO-ONE”的比赛较为大型，韩国也有同名的竞赛。日本的ROBO-ONE至今已举行七届，今年韩国制作者Jeon Young-Su携其作品TAEKWON-V跨国参加于东京的比赛，获得项目冠军。平时，日本的大学生也有组队去美国进行友谊比赛等活动，并一齐切磋技艺，互相交换资料及情况。最值得注目的是日本的“青少年机器人大赛”，比赛分为二个级别，一为小学生—初中二年级;一为初三学生—高中生。这个比赛有区、市、县的对抗及选拔赛，最后选出最佳代表队参加全国比赛。从比赛的场面来看，场面十分热闹，而各地电视台现场转播，也为这个热潮推波助澜。此外，还有“机器人创造国际竞技大赛”、“全日本机器人相扑大赛”、“全国高中机器人大赛”等等。并分有年龄级别、专项比赛，对参赛者年龄及机器人的体高、体积、配置、电源等都订有明确的规定。韩国除了“ROBO-ONE”大赛之外，还有“机器人对抗赛”，最有名的机器人大赛是重30公斤级的“Battle Robot”大赛。韩国的青少年中正在掀起一股机器人热潮，对此我们也应予以重视。同时，韩国政府与企业正在投入大量资金开发机器人产业，并使之逐步商品化。香港自2004年起开始举办中学生机器人比赛，虽然水准很低，但是一个很好的起步。今年8月参加北京比赛的则是香港大学代表队。在香港的八所大学中，似乎还未见有日、韩那样热烈且有较大规模、分门别类的机器人比赛活动，同时也比不上内地一些大学的水准。台湾则于今年八月中举办了小学生、中学生的机器人比赛，起点不高，但相当受欢迎。 

       但是，总体而言，我国的机器人的研究与开发仍处于落后状态，我们的国人对于机器人的认识可能存在着二个误区，一种是将机器人的开发视作是西方国家纯粹为了解决劳动力不足而去研制的，而中国是世界人口大国，劳动力低廉，不必去开发此类产品;另一种则视机器人是孩子们的玩具，却没有注意到一个新的界面，就是二者的结合导致了一种新的未来产业。 以中国人的聪明智能，而且人口众多，倘能尽快在全国范围内(尤其是中、小学生)推动与发展此一产业的试验阶段，一者将培养青少年的科学创造及发明的兴趣;二者将为此产业打下扎实、广阔的基础，涌现出一批人材;三者可以调整产业结构， 

       为中国科技赶超世界先进水平及发展技术型经济、开拓新的知识产权市场而有所作为。反之，倘若对此一产业不加重视，掉以轻心，不谋发展与投入，则我们将在今后的高科技发展中不仅无法达到先进国家的水平，而且还将因为起步晚而为人家陪跑，或者永远吃别人吃过的馍，陷于落后的境地而无法自拔。这或是我们的杞忧，不足为道，但“他山之石，可以攻玉”，看到外国青少年如此热衷于此一科学活动，并且，在外国的未来产业上已出现了机器人的商品及实用性产品，这又怎能不叫我们感到忧心如焚。“亡羊补牢，犹未为晚”，只要意识到我们在这一产业方面与国外的差距，乘我们的国力正日益强盛之势，尽快地进行“官产学”的投入与研究开发，今天的中国青少年将在未来的二十年中在此一业界中崛起，在这个世界先进行列中争一席之地。