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机器人发展回顾与思索 | 深度解读

知识分子 · 公众号 · 科学 · 2017-07-01 09:18

正文

► 机器人发展历史，图片来自listosaur.com

撰文 | 王国强、邓元慧

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回顾机器人的概念产生、技术发展和产业形成的历史过程，至少给我们带来了几点启示。一是“robot”一词的出现和被广泛使用，反映了技术创新中我们应该遵循什么样的伦理准则。机器人因为代替人工作而出现，机器人因为要代替人给人们带来恐惧与不安，技术发展的不确定性要求人们重视技术创新的伦理问题。二是机器人技术的发展历程反映了技术积累与技术革命之间的关系。机器人技术是一项高级自动化技术，从机械自动化到电气自动化，再到智能自动化不断发展的过程，其间的历次技术革命所带来的技术创新对自动化成为一门学科都产生了重要影响。三是机器人产业的形成和发展壮大过程反映了国家社会的需求、技术基础积累和企业创新之间的关系。造成美国机器人产业、日本机器人产业发展不平衡性的重要原因，不是技术的差距而是产业政策的不同。

机器人作为高新技术，其技术和产业发展历程与世界历次科技革命和产业变革如影随形。

机器人常常被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”。一方面，机器人是制造业实现数字化、智能化和信息化的重要载体，其研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造的重要依据；另一方面，机器人技术在社会生活领域的广泛应用，还催生了可从事修理、运输、清洗、救援、监护等工作的服务机器人和特种机器人，有望成为第三次工业革命的突破口。因此，当前的德国“工业 4.0”、美国“重振制造业计划”、日本“再兴战略”，以及我国的“中国制造 2025”等国家创新战略都把发展机器人作为抢占技术和市场制高点的重要战略举措。机器人作为高新技术，其技术和产业发展历程与世界历次科技革命和产业变革如影随形。

机器人及其概念的诞生

机器人概念的诞生和世界上第一台机器人的问世都是近几十年的事，然而，人类希望能制造出像人一样的机器代替自己工作却有几千年的历史。制造出像人一样的机器既是世界各国文明的不懈追求，也是人类对自身世界的探索。在古代中国文明中，有记载的有黄帝时代发明的“指南车”、西周时期的“伶人”、东周时期鲁班的“鹊鸟”、三国时期诸葛亮的“木牛流马”等自动机械装置。在其他世界文明中，有公元前 1400 年左右古巴比伦人发明的“漏壶”，公元前 200 年古希腊人发明的“自动机”，中世纪欧洲著名科学家和艺术大师达• 芬奇发明的以齿轮为驱动装置，可坐可站且头部会转动的“机器人”。

► 1773年，瑞士钟表匠皮埃尔•雅克德罗父子发明了能写字和演奏的“玩偶”

► 1801年，法国人雅卡尔发明了提花织布机(Jacquard Loom)

机器人作为高新技术，其技术和产业发展历程与世界历次科技革命和产业变革如影随形。随着近代科学革命的发生，技术水平更高的“机器人”相继出现。例如，1738 年法国天才技师戴•沃康松发明的“机器鸭”，1773 年瑞士钟表匠皮埃尔• 雅克德罗父子发明的能写字的“玩偶”。以蒸汽机的发明为标志的第一次工业革命发生后，1801 年法国人雅卡尔发明了穿孔卡片控制的“自动织机”，1822 年英国人巴贝奇发明了可编程的机器“差分机”，1893 年加拿大人摩尔发明了靠蒸汽驱动行走的“蒸汽人”，1927 年美国西屋公司工程师温兹利发明了第一个电动机器人“电报箱”。就技术而言，“机器人”完成了从单一的机械动作发展到完成复杂的机械动作，动力装置也从机械动力发展到电动装置，并且这种重复性的机械动力装置被逐渐应用到工厂劳动中。

► 1958年，被誉为机器人之父的美国人约瑟夫•恩格尔伯格创建了世界上第一家机器人公司Unimation

20 世纪中期，随着大规模工业生产的需求，自动化技术得到了快速发展。1952 年，第一台数控机床诞生；1954 年，美国人乔治• 德沃尔制造出第一台可编程的机器人； 1958 年，被誉为机器人之父的美国人约瑟夫• 恩格尔伯格创建了世界上第一家机器人公司 Unimation，并于 1962 年生产出第一台机器人，机器人的历史才算真正开始。

机器人概念的诞生和认知过程反映了人们对科学技术的期待与担忧。英文“机器人”（robot）一词最早出现在 1920 年捷克剧作家卡尔• 卡佩克的剧本《罗萨姆的万能机器人》（ Rossum’s Universal Robots）中。“robot”一词源自捷克语“robota”，意为“农奴”。剧中，机器人开始没有情感，只能按照主人的命令从事繁重的劳动。后来，罗萨姆公司让机器人拥有了情感，“觉醒后”的机器人发现了人类的自私、狭隘，于是开始反抗并最终消灭了人类。该剧深刻地预告了机器人的发展对人类社会的悲剧性影响，引起了人们的广泛关注，机器人的名字由此诞生。因此，从某种意义上讲，机器人概念“robot”从一开始就包含了如何处理人与机器人之间的伦理问题。

为了防止机器人伤害人类，美国科幻作家阿西莫夫曾于1940年提出了“机器人三原则”：（1）机器人不应伤害人类；（2）机器人应服从人类的命令，与第一条违背的命令除外；（3）机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。这是给机器人赋予的伦理性纲领，机器人学术界一直将这个纲领原则作为机器人开发的准则。科幻作家通过自己的创作，反思了科技发展和人类生存空间之间的张力。事实上，当前大家热议的“社交机器人”、“性爱机器人”等，再次把机器人所涉及的伦理问题抛在人们面前。

机器人概念的诞生和认知过程反映了人们对科学技术的期待与担忧。

究竟什么才是机器人？由于机器人概念赋予了人的含义和哲学思考，充满了想象空间，大家对机器人的概念始终莫衷一是。但是，科学家和学术界需要更加明确的定义。

1967 年，在日本召开的第一届机器人学术会议，就提出了两个有代表性的定义。一是森政弘与合田周平提出的“机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性 7 个特征的柔性机器”。另一个是加藤一郎提出的具有如下 3 个条件的机器称为机器人：（1）具有脑、手、脚等三要素的个体；（2）具有非接触传感器（用眼、耳接受远方信息）和接触传感器；（3）具有平衡觉和固有觉的传感器。从技术形态上，1981 年美国国家标准局（NBS）提出一个世界公认的机器人定义：一种通过编程可以自动完成操作或移动作用的机器装置。1987 年，国际标准化组织对工业机器人进行了定义：工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。至此，机器人概念才明确下来。

机器人技术日新月异

技术是累积发展的，它在发展过程中存在着累积效应。机器人作为自动化中高级的综合技术，经历了长期的技术积累和革命性的突破。从第一台公认的机器人问世到现代机器人，从技术形态上看可分为三代：第一代是示教再现型机器人，主要是在人的控制下完成自主运动；第二代是具备感觉的机器人，能根据传感器获得信息，调整状态完成某项操作；第三代是智能机器人，是通过各种传感器、测量器等来获取环境信息并自主进行决策完成预定复杂运动。

从 1801 年法国人雅卡尔发明了穿孔卡片控制的“自动织机”，到1959 年第一台工业机器人的诞生，自动化技术的积累长达一个半世纪。18世纪中后期发生了以蒸汽机为代表的第一次技术革命，使欧洲进入了“机器时代”，为机械运动控制提供了力学意义上的技术基础。瓦特在改进蒸汽机时所发明的离心式调速器是一项重大技术创新突破，可以说开创了机械自动控制的一个新的里程碑。

1801 年法国发明的穿孔卡片控制的“自动织机”，1820年法国发明的第一台成品计算机，1830 年美国发明的凸轮机构的可编程自动机，这些积累使机械自动化技术得到了快速发展。19 世纪初到 20 世纪中期发生了以电力应用为标志的第二次技术革命，电力电子技术得到了广泛应用。1892 年美国生产了电力传动吊车，1898 年美籍发明家特斯拉发明了一艘无线电遥控船。1946 年美国发明的磁性存储过程控制器，开辟了工业设备普遍使用编程控制的时代。同年，美国研制成功了第一台大型电子计算机，标志着数值计算、逻辑推理、记忆存储技术得到巨大突破，使复杂机械运动的自动控制得到巨大发展。1948 年，美国数学家维纳出版了《控制论》一书，为机器人控制奠定了理论基础。1952 年，第一台数控机床诞生。可以说，长时间的技术积累和理论储备，以及主导技术的革命性变化，催生了世界上第一台机器人在美国的诞生。

第三次技术革命快速实现了从第一代机器人到第三代机器人的大幅跨越。第二次世界大战以后，电子学、数学、控制论、半导体技术、精密机械、电磁学的发展，大大推动了计算机科学技术的进步。例如，1959 年，菲尔克公司研制成功了第一台晶体管计算机；1964 年，IBM 公司推出了第一台 360 系列计算机。以电子计算机的发明和发展为主要标志的第三次科学技术革命迅速从美国扩展到了欧洲、日本，并在 60 年代达到高潮。1962年，厄恩斯特研制出带有触觉传感器的机械手。1965 年，世界上第一个带有视觉传感器的机器人诞生。1968年，美国斯坦福国家研究所研制的机器人Shakey具备了一定的人工智能，能够进行感知、环境建模、行为规划并执行任务。被当时技术所限，控制Shakey 的计算机体积过于庞大且运算速度缓慢，未能投入实际应用中，但它是世界上第一台智能机器人，具有划时代的意义。这些机器人又常常被称为“积木世界”中的活动试验装置。

20 世纪 70 年代以后，电子计算机的广泛应用，建立了用计算机对运动轨迹辅助制图的算法和程序，使现代控制技术、传感技术、人工智能技术进一步发展，第二代机器人也得到了迅速的发展。1974 年，美国辛辛那提• 米拉克龙公司开发了多关节机器人。1979 年，Unimation 公司又推出了 PUMA 机器人，它是一种多关节、全电机驱动、多 CPU 二级控制的机器人，采用 VAL 专用语言，可配视觉、触觉、力觉传感器，是当时技术最先进的工业机器人。

20 世纪 80 年代，不同结构、不同控制方法和不同用途的工业机器人在发达国家进入了实用化普及阶段。日本把 1980 年称为“机器人普及元年”，开始在各个领域推广使用机器人。传感技术和智能技术的广泛应用，使智能机器人概念日渐深入人心。1985 年以后，在日本称为“智能机器人的时代”。短短 20 年时间，机器人实现了从第一代到第三代的大幅跨越。因此，第三次科技革命也可称为机器人技术发展的“黄金时代”。

当前，新一轮科技革命蓄势待发，机器人技术与新一代信息技术、生物技术、新材料技术、传感器技术的融合不断加快，为智能机器人、仿生机器人以及新一代机器人的诞生与发展打开了大门。例如，2010 年日本发那科公司推出了第一台学习控制机器人，2014 年日本推出了高仿真人形机器人等。

机器人产业迈入智能化阶段

机器人产业与机器人技术是两个不同的概念，机器人产业的形成除了具有机器人技术系统之外，还需要机器人的制造系统，即具有专门生产机器人的整机、主机元件和配套设备的厂家。因此，机器人产业的形成关键在于机器人的制造和机器人的使用结合的紧密程度。从这个意义上讲，机器人产业发展划分为四个阶段：产业孕育期、产业形成期、产业发展期和智能化时期。

第一阶段产业孕育期为20世纪50 年代至 60 年代，主要发生在美国。从技术发展的角度看，在社会需求刺激下经历了 100 多年的技术储备，机器人技术终于在美国实现。但是，从产业发展的角度看，除了技术进步作为产业形成的核心力量之外，机器人企业的诞生和一定数量的从业人员也是必不可少的条件。

机器人产业的形成关键在于机器人的制造和机器人的使用结合的紧密程度。

1958 年，世界第一家机器人企业 Unimation 诞生（1960年被 Condec 公司收购），同年，美国机床铸造公司也研制出了机器人；1962 年，第一台机器人 Unimate 在通用汽车制造厂上线；20 世纪 60 年代中期，美国企业中出现了各种各样的遥控机械手或称操作器，能像人手一样灵活地进行各种作业，使机器人制造有了生产基础。同时，美国原子能委员会阿尔贡研究所、美国麻省理工学院、斯坦福国际研究所、斯坦福大学等相继成立了机器人和人工智能研究室，培养了大批机器人技术从业人员。

另外，美国机器人产业的兴起还有其深刻的社会经济原因：一是 20世纪 30 年代至 50 年代逐步建立起来适应大规模生产的流水生产线，由于其改变周期较长，不适应多种小批量生产的需要，柔性生产线的概念及试验性的设计就此诞生；二是市场竞争要求企业提高劳动生产率，自动化生产和机器人生产在当时可提高 30% 的生产率；三是美国老龄化人口增长较快，1960 年已达 34%，而年轻人又不愿在高温或有毒的环境下从事那些单调、重复性的工作。尽管第一台机器人在美国诞生，但是产业发展缓慢。究其原因，主要是美国政府担心机器人导致就业情况恶化，且当时的机器人结构复杂、造价高，吓跑了许多使用厂家。日本川崎重工业公司从美国 Unimation公司引进了机器人和机器人技术，建立起生产车间，并于1968年试制出第一台川崎的Unimate 机器人。与此同时，大小工厂竞相研制机器人，一时总数达86家之多，形成了日本机器人发展的第一次高潮，为机器人全球产业的形成奠定了基础。

第二阶段产业形成期为 20 世纪70 年代至 80 年代，主要发生在日本。为了使机器人产业稳步发展，1973 年以米本完二为首的一批有识之士发起成立了日本产业用机器人协会，成为制造厂与用户之间的纽带。协会通过各种办法引进国外的先进技术，准确地预测现在和将来的需求与可能，以此为据制定各个时期的发展课题，有组织、有步骤、有计划地进行研究，逐步建立起从基础元件到辅机在内的日本机器人工业生产体系。到了1980年，日本已经拥有包括生产固定程序等简易机器人在内的生产厂家120多家，仅生产高级机器人的厂家就有70家，占世界这类厂家总数的 40%。工业机器人的年产量达到 19300 台，累计生产台数76700台，占世界拥有量的70%左右，年产值为 784 亿日元，累计产值2339亿日元，居世界各国之首，堪称世界“机器人王国”。日本机器人的广泛应用使美国政府与企业对于工业机器人的应用认识有了改变，开始制定机器人重点技术路线，机器人行业的发展集中于航空、核工程、海洋等特殊领域的高级机器人的开发，机器人的主要用户是政府和军方。

第三阶段产业发展期为 20世纪90年代至21世纪初期。这个时期的机器人产品的主要特征是研发多样化和市场全球化。机器人开发范围不断扩大，服务机器人、特种机器人进入研究阶段。日本、美国等国在满足本国需求的同时，不断向外输出机器人产品，市场逐步趋于成熟。20 世纪90 年代，日本泡沫经济破灭，经济萧条，于是日本机器人市场逐步向全球市场转移，海外成为拉动日本机器人产业增长的重要力量，日本出现历史上第二次机器人热潮。1996 年，那智不二越公司拓展其机器人业务至切割工具、轴承等领域。2000年，日本本田技研工业株式会社研究出第一代仿人机器人。20 世纪 90 年代后期，美国在语音识别技术、图像识别和分析领域加紧布局，使美国在机器人软件领域处于领先地位，推动了机器人向智能化方向发展。1999 年，Intuitive Surgical 公司推出达•芬奇手术机器人。德国、瑞士等国的机器人产业这时也开始形成规模。

第四阶段智能化时期为21世纪初期至今。主要特征是机器人市场稳步增长，智能化成为发展趋势，工业机器人产业链极具优势。进入 21 世纪后，受到劳动力不足、人口老龄化等刚性需求的驱动，与人均可支配收入提升和物联网、大数据、计算机、人机交互等先进技术快速迭代的影响，人们对机器人的需求日益多样化且要求机器人更加智能化。因此，除了工业机器人，各类服务机器人应运而生，且具有广阔的发展空间。但是，由于服务机器人的外围技术未能解决、单位价值高的服务机器人整体技术水平低下、发展速度缓慢等原因，全球服务机器人市场仍然处于起步阶段。而工业机器人产业的发展，除2008 年第四季度全球金融风暴导致工业机器人的销量急剧下滑，直至 2010年全球工业机器人市场逐渐由 2009年的谷底恢复外，全球工业机器人的需求总体稳步增长。特别是 2010 年以来，汽车业投资摆脱了周期性的影响，呈现持续增长态势，对工业机器人的需求也逐步增加。此外，电子电气制造、橡塑制品、制药、食品与饮料以及金属机械加工等产业的发展，也增加了对工业机器人的需求。国际机器人联合会（IFR）的数据显示，2015 年全球工业机器人销量首次突破 24 万台，其中亚洲销量约占全球销量的 2/3，为 14.4 万台；欧洲地区为 5 万台，其中东欧地区销量增速达到 29%，是全球增长最快的地区之一；北美地区销量达到 3.4 万台。中国、韩国、日本、美国和德国的总销量占全球销量的 3/4。中国、美国、韩国、日本、德国、以色列等国是近年工业机器人技术、标准及市场发展较活跃的地区。

我国机器人发展进入顶层设计阶段

20 世纪 70 年代初期我国开始机器人技术研究，80 年代初一些学术组织和相关研究机构相继成立，并实施国家“863 计划”。90 年代，国产机器人的商品化基本实现，一批具有自主知识产权的点焊、弧焊、装配等产品相继问世。进入 21世纪后，我国机器人技术及产业得到迅猛发展。“十五”期间国家对机器人发展做出了战略调整，从单纯的机器人技术研发向机器技术与自动化工业装备展。“十一五”期间重点开展了机器人共性技术的研究。“十二五”期间，重点放在促进机器人产业链逐步形成上。“十三五”期间，主要是加强顶层设计。《中国制造 2025》把机器人作为重点发展领域，并专门出台《机器人产业发展规划（2016—2020 年）》，机器人的发展成为实现《中国制造2025》的关键。2015 年举办的首届世界机器人大会，大大提高了我国机器人产业的影响力。但是，我们也要认识到，当前我国机器人核心技术仍受制于人，相关产品质量、性能、可靠性等方面也与国外产品有较大差距，总体的技术水平仍处于前沿跟踪阶段，只在部分特种机器人领域实现并跑。