【編者按】美國密歇根州立大學(xué)電氣及計算機工程系杰出教授、中國科學(xué)院沈陽自動化研究所的席寧作題為《超限機器人技術(shù)：應(yīng)用于挑戰(zhàn)》的報告。

原文來自人工智能學(xué)家的整理：《人工智能與機器人專家發(fā)言全記錄（上），2015 世界機器人大會速遞》。為方便閱讀，雷鋒網(wǎng)做了不改變原意的編輯。

機器人是一個多學(xué)科、綜合性的領(lǐng)域。機器人發(fā)展的動力來自兩個方面：

一是新技術(shù)發(fā)展的推動，二是新應(yīng)用的拉動。

從這兩個方面，推動和拉動了機器人技術(shù)的發(fā)展。所以我們從新技術(shù)的出現(xiàn)和新應(yīng)用的出現(xiàn)來談一下機器人的發(fā)展。

當(dāng)機器人最開始出現(xiàn)的時候，機器人和人在同樣的環(huán)境里進行工作，發(fā)展機器人主要的目的是代替人。由于信息技術(shù)的發(fā)展，從機器人簡單地代替人，現(xiàn)在發(fā)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(lián)網(wǎng)后，我們?nèi)丝梢酝ㄟ^網(wǎng)絡(luò)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(shù)給機器人的提供了新的動力，同時也提供了新的應(yīng)用。

另一方面，納米和微納米技術(shù)的發(fā)展也給機器人提供了新的應(yīng)用領(lǐng)域。

比如在微納米領(lǐng)域，最具有挑戰(zhàn)性的問題就是環(huán)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(xiàn)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(huán)境里的加工能力。生物技術(shù)的發(fā)展也給機器人提供了很多新的應(yīng)用領(lǐng)域，但是生物領(lǐng)域跟傳統(tǒng)的制造業(yè)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(shù)推廣到這個領(lǐng)域，不僅是操作的物質(zhì)很小，環(huán)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(huán)境給人帶來的困難，比如生理環(huán)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(huán)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。

信息技術(shù)給人的發(fā)展帶來了什么新的機遇和應(yīng)用？

機器人最重要的應(yīng)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(jié)合起來才能產(chǎn)生自動化。

因為通過傳感器可以把物理世界的信息變成數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)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(xiàn)在機器人和傳感器變成了一個從信息世界、數(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，這個就是信息技術(shù)發(fā)展帶給機器人的新角色。

通過機器人聯(lián)網(wǎng)，我們可以形成所謂的物聯(lián)網(wǎng)，機器人通過傳感器可以監(jiān)測環(huán)境，同時還可以通過物聯(lián)網(wǎng)和機器人可以遠程使用加工設(shè)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(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)克服了。同時還可以通過網(wǎng)絡(luò)進行一些醫(yī)療的診斷和治療，通過網(wǎng)絡(luò)讓機器人做一些安全和國防方面的工作。

具體開發(fā)技術(shù)有哪些？

我們通過網(wǎng)絡(luò)和機器人的結(jié)合，可以進行遠程的感知和操作。這樣，網(wǎng)絡(luò)不僅能夠傳播信息、數(shù)據(jù)、聲音等多媒體信息，現(xiàn)在通過網(wǎng)絡(luò)還可以傳播動作、感覺，把這些動作、感覺和傳統(tǒng)的聲音、圖像結(jié)合起來，就要叫超媒體。

這有什么應(yīng)用呢？

首先可以通過互聯(lián)網(wǎng)支持遠程醫(yī)療服務(wù)，進行乳腺癌的遠程診斷。

我們知道乳腺癌傳統(tǒng)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(yī)生用手摸的辦法來診斷。這個就跟醫(yī)生的經(jīng)驗很有關(guān)系，在很多邊遠地區(qū)沒有這種有經(jīng)驗的醫(yī)生，我們通過機器人技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合起來，醫(yī)生可以通過網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)傳到一個遠程的地方，通過裝置再現(xiàn)出來，這樣醫(yī)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(yī)生就可以直接對這個病人進行診斷。通過網(wǎng)絡(luò)和機器人把病人和醫(yī)生之間的距離拉近了。

在制造方面，現(xiàn)在很多工廠都是由于勞動力價格的原因設(shè)置在別的國家。

比如說美國汽車的座椅是在美國設(shè)計的，但是生產(chǎn)可能在墨西哥生產(chǎn)，所以要對座椅的質(zhì)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(shù)，機器人帶有傳感器，通過機器人摸這個椅子，把感覺通過網(wǎng)絡(luò)傳過去，設(shè)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(zhì)量控制以及幫助他們進行設(shè)計。通過機器人和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)就把生產(chǎn)和設(shè)計中間的距離縮短了。同時我們還可以用這種技術(shù)進行客戶定制，比如你現(xiàn)在去買車，每個椅子都是一樣，但是如果有這個機器人技術(shù)，通過數(shù)學(xué)模型把感覺再現(xiàn)出來，買車的時候可以一直摸，直到選出合適的，然后根據(jù)數(shù)據(jù)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(shù)把設(shè)計、生產(chǎn)和用戶之間的距離縮小了。

微納米技術(shù)給機器人的發(fā)展有什么推動和新的應(yīng)用？

我們知道微納米技術(shù)的發(fā)展重要的方面是出現(xiàn)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(lǐng)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(fā)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(shù)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(chǎn)。我們開發(fā)了一套微納米的機器人，這個機器人可以把納米環(huán)境中物質(zhì)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(zhì)和材料進行操作，而且可以自動的進行操作和裝配。

下面是一個例子，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(shè)計的形狀。

其中的CAD模型，就設(shè)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(shè)計，可以自動轉(zhuǎn)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(fā)的平均直徑是100個微米，這個就等于是100千分之一頭發(fā)的直徑，是非常小的。

我們通過這個技術(shù)開發(fā)了一套生產(chǎn)制造系統(tǒng)，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(zhì)，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(tǒng)，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(tǒng)的做法根據(jù)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(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用，我們知道機器人技術(shù)最成功的應(yīng)用領(lǐng)域是制造業(yè)，特別是汽車制造業(yè)。

我們今天早上說過90%的工業(yè)機器人都用于汽車制造的過程。而生物醫(yī)藥領(lǐng)域的產(chǎn)值遠遠大于汽車行業(yè)，但是在新藥開發(fā)的過程中，很多過程都是人工的。裝配汽車一般的技術(shù)工人是高中畢業(yè)就可以了。但是在新藥開發(fā)過程中研究人員至少要大學(xué)畢業(yè)，很多是碩士、博士，所以開發(fā)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(yī)藥行業(yè)面臨的一個很大的挑戰(zhàn)。最重要的一點是我們希望怎么把機器人的技術(shù)用于新藥開發(fā)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(fā)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(yè)的技術(shù)用于新藥開發(fā)，如果能夠做到這一點，經(jīng)濟效益會非常高。

但是這里面臨著很大的挑戰(zhàn)，為什么？

汽車里面的零件都是人設(shè)計的，尺寸都一樣的，有誤差但是很小，是一個結(jié)構(gòu)性的環(huán)境，對機器人做高速重復(fù)性工作是很有利的。但是在新藥開發(fā)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(jié)構(gòu)性的環(huán)境，怎么克服這個環(huán)境，能夠把機器人用于新藥的開發(fā)，是一個很重要的技術(shù)問題。

現(xiàn)在開發(fā)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(fā)出1-2個新藥，花費的錢很多。人類卻不斷出現(xiàn)新的疾病，病越來越多，研發(fā)藥物的費用越來越高，出現(xiàn)的新藥越來越少，是人類面臨的很大挑戰(zhàn)，解決這個問題重要的途徑就是把新藥開發(fā)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(yè)的價值是8650億美元，人們估計機器人和自動化技術(shù)產(chǎn)生了6560億的價值，如果不用機器人、自動化，現(xiàn)在的產(chǎn)值也就2000多億，自動化和機器人帶來了6000多億的產(chǎn)值。如果用同樣的模式把這個轉(zhuǎn)移到制藥工業(yè)，比汽車產(chǎn)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(fā)，產(chǎn)生像今天汽車工業(yè)這么大的應(yīng)用，能夠創(chuàng)造五六千億的價值，這是潛在非常大。但問題和挑戰(zhàn)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(fā)一套自動化的系統(tǒng)，就像今天的生產(chǎn)自動化一樣，不是裝配零件而是開發(fā)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(nèi)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(fā)的效率。要做到這樣，需要操作、傳感、控制，這就是機器人技術(shù)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(xiàn)在人們開發(fā)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(jié)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(yù)測治療的效果，對醫(yī)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(xiàn)在我們就開發(fā)了一種技術(shù)，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(fā)現(xiàn)同樣的癌細胞，CD20和美羅華的結(jié)合率是一樣的。如果結(jié)合率太小殺不死癌細胞，結(jié)合率大就可以殺死。

有了這項技術(shù)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(yù)測治療的效果，給醫(yī)生對病人的治療方案起到了很重要的作用，不僅節(jié)省病人的費用，同時也節(jié)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(jié)果的大量統(tǒng)計，我們會獲得數(shù)據(jù)，知道當(dāng)結(jié)合率達到一定程度的時候治療結(jié)果是怎樣的，這樣給醫(yī)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(fā)。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(jīng)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(chǎn)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(jīng)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(chǎn)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(fā)了一套系統(tǒng)，通過納米機器人，可以產(chǎn)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(huán)境中，我們就可以對藥物進行高速的篩選，開發(fā)出新的藥物就治療跟絨線細胞有障礙的有關(guān)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(shù)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(shù)結(jié)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(huán)境中進行感知和控制，能夠克服由于距離、尺度、環(huán)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(nèi)有廣泛的應(yīng)用以外，我們再走一步，在我們看不到、摸不著的環(huán)境里，機器人同樣可以起到很大的作用，創(chuàng)造很大的價值，為人類做出很大的貢獻。

謝謝大家。