目前的機器人已經(jīng)能夠勝任精確、重復性的工作，但很多時候，它還不能夠靈活地為新任務進行自我調(diào)整，也不能應付一個不熟悉的或不確定的情景。不過，這些情況都在發(fā)生改變，機器人正在變得更加智能。我們不禁要問，讓機器人實現(xiàn)智能的關鍵技術到底是什么?這些技術在最近十年會發(fā)展到什么程度?整個產(chǎn)業(yè)的應用前景將會如何？
隨著家用機器人的應用需求不斷增加，人工智能相關技術不斷進步，硬件性能的增長，服務機器人近年來開始從實驗室走向家庭，并從掃地機器人等單一功能向多功能的個人機器人發(fā)展。
01感知、認知和行為控制
機器人的技術按照通常的理解分為三個部分，感知、認知和行為控制。感知主要是基于視覺，聽覺及各種傳感器的信息處理；認知部分則負責更高層的語義處理，如推理，規(guī)劃，記憶，學習等；行為控制部分專門對機器人的行為進行控制。
提到機器人，一個最近經(jīng)常提及的詞是人工智能。人工智能是用計算機來實現(xiàn)類似于人的智能行為的一門學科。機器人本身即是人工智能的一個終極應用目標之一。所以談到機器人，人們很容易聯(lián)想到人工智能。人工智能的確對于機器人非常重要，上面提到的三個部分的技術都與人工智能相關。
從應用角度看，機器人由于有一定的自主性，能與人和環(huán)境交互，與之前的計算設備(包括電腦，手機等)相比，對智能的要求較高，這也是人工智能逐漸受到關注的一個原因。
傳統(tǒng)的人工智能做為一門學科，起源于20世紀50年代的達特茅斯會議，后來經(jīng)過幾次大起大落，在基礎理論和方法上積累了豐富的成果。從早期的符號計算系統(tǒng)，到專家系統(tǒng)，再到90年代發(fā)展起來的機器學習，大數(shù)據(jù)分析，都可以算是人工智能的范疇。在圖像、語音、搜索、數(shù)據(jù)挖掘、社會計算等領域，又派生出了一些相關的應用研究。其中與機器人聯(lián)系較為緊密的包括計算機視覺，語音和自然語言處理，還有智能體(Agent)等。
從技術上看，人工智能要達到人類級別的智能，要走的路還非常遠，因為目前對人的智能機理尚未研究清楚。但從實用角度看，根據(jù)目前技術的進展，如果能夠部分模擬人的智能行為(比如認出主人并進行相應的交互)并達到較好的用戶體驗，將會在短期內(nèi)取得突破性進展。當然這在技術研發(fā)上還需進一步解決技術的實用性、魯棒性問題。畢竟以往的不少機器人都還在實驗室或者受限的環(huán)境中(比如養(yǎng)老院)進行研發(fā)和測試，而新興的家庭服務機器人，將在家庭環(huán)境中獨立或者半獨立地(通過與人的協(xié)作)完成某些服務，這對技術的魯棒性提出了更高要求。其中的一些，如計算機視覺、語音識別等核心技術還在不斷地改進中，還沒有發(fā)展到完全成熟。所有這些，都決定了需相當深入的研發(fā)工作，才能實現(xiàn)真正的實用化、智能化的家庭服務機器人系統(tǒng)。
02機器人不是一堆機械和芯片
在以往對服務機器人的研究中，一個典型的目標應用是機器人可以做家務勞動，這就要求機器人可以用手臂去操作物體(抓放)。在這些方面的研究雖然較多，但從目前的技術進展看，在幾年內(nèi)實現(xiàn)機器人做家務勞動，仍有諸多的挑戰(zhàn)。
1.目前的機器人，尤其是人形機器人的成本過高。舉例說，一條機器人的手臂可能需幾萬美元，而機器人的手部就需要1萬多美元，整個機器人的造價，更是普通家庭無法承受的。
2.機械手的靈巧程度，仍然難以和人手相媲美。
3.在安全性方面也存在需要解決的問題。有著鋼鐵之軀的機器人一旦進入家庭，由于程序錯誤，不小心揮揮手、伸伸胳膊，都可能對血肉之軀的人造成巨大傷害。
機器人如果暫時不能做家務勞動那又有何用，這是不少人關心的一個問題。如果不能應用，機器人不過是一堆機械和芯片而已。目前除了類似掃地機器人這樣能夠?qū)崿F(xiàn)比較單一功能的機器人外，還有不少機器人的用途正在發(fā)展之中。
機器人作為一個新型智能設備，普通用戶最關心的是機器人可以為他們做些什么?如前文所述，機器人目前還難以實現(xiàn)類似做家務這樣的應用。而要達到人的智力水平，也還需要較長的發(fā)展時間。所以在應用方面也需要針對人工智能技術，特別是感知認知技術的現(xiàn)狀進行設計，要充分利用最新技術，實現(xiàn)在過去看來不可能實現(xiàn)的功能。預計未來十年，市場上出現(xiàn)的服務機器人將具有以下特點。
1.機器人將實現(xiàn)低成本。在前文中提到，如果讓服務機器人進入專業(yè)或家庭服務領域，成本需足夠低。專業(yè)服務機器人的成本可以相對高些，而家庭服機器人則需嚴格控制成本。
2.機器人將擁有多功能特點。目前在家庭中使用的服務機器人主要是掃地機器人這樣能夠?qū)崿F(xiàn)單一功能的機器人。未來多功能的機器人將有較大的發(fā)展，出于成本考慮，機器人中的某些處理器將可以用于多種應用。同時隨著技術的發(fā)展，機器人的應用將越來越多，機器人將可以像人一樣完成不同的任務。
3.具有獨特的應用。這是用戶購買使用服務機器人的主要動機，這些應用不是簡單移植已有的電腦或手機的應用，而是具有獨特的機器人應用的特點，如自主性，操控類似于人并能夠與人進行互動等。
4.可與人協(xié)作完成任務。因為機器人是為人服務的，所以需要與人進行多方面的互動，以了解主人對服務的需求。另一方面是受制于機器人的智能和人相比還是有很大差距，所以有些任務還不能獨立完成，需借助于人的幫助才能完成。
5.機器人將有高安全性特點。這包含信息安全和物理安全兩方面。即不給用戶帶來安全隱患,甚至能主動檢測并制止一些有潛在安全威脅的行為。著名的阿西莫夫三大定律，規(guī)定了基本的機器人安全規(guī)則。當然如何具體實現(xiàn)這些安全性，尤其是物理安全，還需要在機器人硬件和軟件上下功夫。
家庭服務機器人和專業(yè)服務機器人的未來將會如何發(fā)展，已成為業(yè)界關心的話題。
家庭服務機器人將會實現(xiàn)如下幾類較典型的應用。
1.家庭服務機器人將實現(xiàn)各種助手類的應用。智能手機上流行的個人助理軟件(Siri,Cortana等)，將從虛擬的無形演變?yōu)橛形锢硗庑蔚臋C器人能夠?qū)崿F(xiàn)的功能。可以設想，機器人助手可以幫用戶查詢一些如：天氣，限行尾號等信息，或?qū)τ脩暨M行提醒。聽上去好像與手機上的體驗并無區(qū)別，但實際上在體驗上已有不少改變。用戶和機器人互動的時候可用更自然的方式，像和人交流一樣，甚至可以看到機器人的表情，使服務顯得更加個性化。除了這些應用，服務機器人還可在更多的場景中作為人的助手。比如服務機器人可以作為人的健身助手(見圖1)，當人在健身的時候,機器人可像健身教練一樣提供一些建議。相信此類應用隨著技術的發(fā)展，將會越來越豐富。
2.家庭服務機器人將助力少兒教育。因為服務機器人具有自主性和移動性，將會為少兒教育帶來無限的可能和更廣泛的應用空間。
3.家庭服務機器人將可實現(xiàn)老人看護。包括中國在內(nèi)的許多國家，正在或?qū)⒁饺肜淆g化社會。中國的老人一般希望居家養(yǎng)老，而子女又忙于工作，即使住在一起也無法一直在身邊照看老人。諸如提醒老人吃藥或緊急情況時及時救助等，如果能由家庭服務機器人來完成，將大大提高老人居家養(yǎng)老的生活質(zhì)量，也使得子女更放心。老人看護將是未來機器人的一個應用熱點，具有極大的社會價值。機器人能完成的事還有很多，除了與健康輔助直接相關的功能，還可幫助老人讀書讀報，與老人簡單聊天等，進行情感方面的關懷。
對于專業(yè)服務機器人，其應用根據(jù)專業(yè)應用領域的不同，而有較大區(qū)分。
1.在物流中心進行貨物分發(fā)。據(jù)悉，這項應用已開始在亞馬遜等公司實際使用。未來將不斷地升級，如能夠自動取貨等。
2.在零售店，柜臺，前臺等處為客戶服務。這些服務機器人能夠和客人打招呼，并回答一些基本問題，還可以幫客戶提包，端茶送水，并為客戶指路。
3.機器人攝影師。機器人攝影師可以不知疲倦地穿梭于賓客之間，幫人們拍出高質(zhì)量的照片。當然此功能在家庭服務機器人上，同樣是個新鮮的功能。
4.智能安防機器人。在一些警力不足的地方，如果有智能安防機器人24小時巡邏，則會有很好的震懾力，減少犯罪的發(fā)生。
03關鍵技術與挑戰(zhàn)
可以預見，未來服務機器人有不少有趣的應用，但從技術實現(xiàn)的角度看還存在諸多挑戰(zhàn)。
前面提到過機器人的三大技術領域，包括感知、認知和行為控制。其中行為控制技術相對來說，已經(jīng)有不少技術積累。而對于在不久的將來可以實際大規(guī)模應用的服務機器人，將會更偏向于發(fā)展低成本的機器人。諸如機械結構比較簡單的輪式機器人(只有輪式移動平臺加上一個可活動的頭，一般沒有手臂或者手臂比較簡單)，由于其控制部分較為簡單，因此在感知和認知方面的技術，顯得尤為重要。根據(jù)以往機器人領域的研究進展和對應用的初步分析可以認為如下的感知、認知技術，將是實現(xiàn)應用的關鍵。
1.三維導航定位技術。不管什么機器人，只要可移動，即需要在家庭或其他環(huán)境中進行導航定位。其中SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)技術可同時進行定位和建圖，在學術研究方面已經(jīng)有不少技術積累。但對于實際系統(tǒng)，由于實時性低成本(比如無法采用比較昂貴的雷達設備)的要求和家庭環(huán)境的動態(tài)變化(物品的擺放)，因而對導航定位技術提出了更高要求，仍需進一步研發(fā)。
2.視覺感知技術。其中包含人臉識別、手勢識別、物體識別和情緒識別等相關技術。視覺感知技術，是機器人和人交互的一個非常重要的技術。
3.語言交互技術。其中包含語音識別、語音生成、自然語言理解和智能對話系統(tǒng)等。
4.文字識別技術。生活中有不少文字信息，如書報和物體的標簽信息，這也要求機器人能夠通過攝像頭來進行文字識別。與傳統(tǒng)的掃描后識別文字相比，其可通過攝像頭來進行文字的識別。
5.認知技術。機器人需要逐步實現(xiàn)規(guī)劃、推理、記憶、學習和預測等認知功能，從而變得更加智能。
從目前的研究現(xiàn)狀看，服務機器人面對的關鍵技術均有了長足進步，但還有相當多的問題要解決。
04推動技術的研發(fā)與實際應用結合
英特爾中國研究院的一個重要研究方向是服務機器人，研究范圍主要包括魯棒的三維導航定位、人和環(huán)境的視覺感知以及人-機器人交互(包含感知、認知、行為控制的結合)等領域，致力于為英特爾的合作伙伴提供先進的服務機器人技術。
研究方法以特定的目標應用領域為出發(fā)點，并以此來推動技術的研發(fā)和在實際應用中的測試。前面提到的助手類應用、少兒教育應用、老人看護應用，是研究重點。
為了進行應用測試，英特爾中國研究院建立了實際的機器人硬件原型，圖3是平板機器人原型。左邊是其內(nèi)部結構，由一個帶有英特爾Realsense攝像頭的電腦來控制一個全向移動底盤和頭部的轉(zhuǎn)動，其高度可調(diào)，以便適應成人與兒童的互動要求。
目前研究院已經(jīng)在視覺感知等領域取得了階段性成果。如圖4中，顯示了利用Realsense攝像頭和SLAM技術生成家庭環(huán)境地圖，這在后續(xù)就可用來定位導航。研究院還開發(fā)了魯棒的跟蹤技術，可在多人同時出現(xiàn)的情況下，長時間正確地跟蹤一個特定用戶。在未來還會研發(fā)出更多相關技術和應用，這些技術也將服務于業(yè)界的合作伙伴助力開發(fā)出先進的服務機器人產(chǎn)品。
05推動技術的研發(fā)與實際應用結合
對于機器人技術，大家關心的一個問題是，是否需要采用專用的人工智能芯片。
目前探索的一個方向被稱作混血計算(Hybrid computing),其是指用通用處理器和其他架構一起合作來進行計算。不過，還處于早期探索的階段。
一個架構是否能成功地應用于服務機器人，需要看性能是否滿足應用的需求，功耗等是否合適，這是一個考慮多種因素平衡的選擇。
可以說現(xiàn)在的通用處理器與已有的一些其他計算單元(如向量處理單元、GPU)，已經(jīng)可以為服務機器人提供一個理想的硬件架構，尤其是多功能的具有感知、認知功能的服務機器人。目前機器人主要的瓶頸，還是在應用需求的開發(fā)和感知、認知技術上。當然，未來的架構，也會隨著對應用的深入開發(fā)而不斷創(chuàng)新。硬件設計面臨的挑戰(zhàn)越來越大，需要不斷地適應未來發(fā)展的演變。同時也可以考慮用FPGA架構來為一些比較專門的應用提供加速，這樣在應用發(fā)生變化的時候，將具有更多的靈活性。
