□文/美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)□編譯/盧川

美國(guó)制造業(yè)機(jī)器人發(fā)展路線圖

□文/美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)□編譯/盧川

美國(guó)制造業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整，對(duì)于未來(lái)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、創(chuàng)造新的就業(yè)機(jī)會(huì)和確保美國(guó)制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力都至關(guān)重要。這要求在基礎(chǔ)研究、新技術(shù)的研發(fā)以及將研究成果和技術(shù)成果整合到制造業(yè)系統(tǒng)等方面提供資金支持。

美國(guó)聯(lián)邦政府對(duì)制造產(chǎn)業(yè)的投資能夠振興美國(guó)制造行業(yè)。將美國(guó)國(guó)家資源的一小部分投入到制造業(yè)將獲得極高的性?xún)r(jià)比，并且資源的高效生產(chǎn)將使美國(guó)的消費(fèi)者受益,還能支持在美國(guó)這個(gè)重要經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的員工。這能確保美國(guó)在達(dá)到退休年齡的工作人員比例逐年減少的情況下仍能保持經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)。制造業(yè)的研究與發(fā)展也會(huì)使衛(wèi)生保健、農(nóng)業(yè)及交通運(yùn)輸業(yè)受益，并且加強(qiáng)美國(guó)的資源、國(guó)防及能源安全。在未來(lái)五十年，由此產(chǎn)生的一系列研究活動(dòng)將大大提高“美國(guó)制造”的質(zhì)量并且提升生產(chǎn)力。這一戰(zhàn)略已經(jīng)體現(xiàn)在美國(guó)政府主導(dǎo)的“先進(jìn)制造伙伴關(guān)系”（AMP）與“國(guó)家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”（NNMI）計(jì)劃中。

機(jī)器人技術(shù)是一個(gè)可以徹底改變制造業(yè)的關(guān)鍵性革命技術(shù)。美國(guó)的工人已經(jīng)不再向往工廠中的低端工作，同時(shí)由于社保及醫(yī)療保險(xiǎn)費(fèi)用的增加，美國(guó)工人的人工成本也開(kāi)始增加。即使我們能夠負(fù)擔(dān)工人的人工成本，小型的、復(fù)雜的生命周期較短的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品依然需要擴(kuò)大其適應(yīng)性、精度、可靠性等能夠超越人類(lèi)工人的技能。先進(jìn)的機(jī)器人及生產(chǎn)自動(dòng)化能夠：

1）保持本國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)及物質(zhì)財(cái)富，否則其將選擇離岸生產(chǎn)；

2）使制造業(yè)公司更具競(jìng)爭(zhēng)力；

3）能夠提供開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、維護(hù)及培訓(xùn)機(jī)器人的相關(guān)崗位；

4）允許工廠使用機(jī)器人團(tuán)隊(duì)，利用人類(lèi)與機(jī)器人的不同技能優(yōu)勢(shì)（人類(lèi)的智慧與靈巧，機(jī)器人的精度、強(qiáng)度及可重復(fù)性）；

5）能夠改善工作條件同時(shí)減少昂貴的醫(yī)療費(fèi)用；

6）減少成品制造時(shí)間，使制造商更能配合零售商需求的變化。

切實(shí)有效地使用機(jī)器人將會(huì)增加美國(guó)人民的就業(yè)機(jī)會(huì)、提高相關(guān)工作的質(zhì)量，提升美國(guó)在全球的競(jìng)爭(zhēng)力?；谝陨蟽?yōu)勢(shì)，NCR、思科、蘋(píng)果、聯(lián)想、特斯拉等公司已經(jīng)將它們新的工廠設(shè)置在美國(guó)境內(nèi)。它們期望利用機(jī)器人技術(shù)及自動(dòng)化技術(shù)支持其公司繼續(xù)蓬勃發(fā)展。

盧川 特約撰稿人中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所博士

以上總結(jié)了機(jī)器人及自動(dòng)化技術(shù)在美國(guó)制造業(yè)以及在美國(guó)經(jīng)濟(jì)中所占的重要地位，描述了機(jī)器人及自動(dòng)化技術(shù)將在何處大大提高生產(chǎn)力，并展現(xiàn)了一個(gè)具有遠(yuǎn)見(jiàn)的研究與發(fā)展路線圖，使美國(guó)的國(guó)家投資能夠?qū)@些重點(diǎn)研究領(lǐng)域起到推動(dòng)作用。

本文總結(jié)了制造與自動(dòng)化機(jī)器人技術(shù)研討會(huì)的相關(guān)活動(dòng)和結(jié)論，由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)支持的“R obotics-VO”組織贊助了該研討會(huì)。該研討會(huì)是更新《美國(guó)機(jī)器人路線圖：從網(wǎng)絡(luò)到機(jī)器人》五個(gè)研討會(huì)的其中之一。該研討會(huì)的內(nèi)容是根據(jù)過(guò)去的四五年中機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展不斷更新路線圖。在報(bào)告中提出的研究計(jì)劃將顯著增強(qiáng)美國(guó)的制造業(yè)經(jīng)濟(jì)，將有利于形成一個(gè)受過(guò)良好訓(xùn)練的并具有高超技術(shù)的生產(chǎn)線，創(chuàng)造新的就業(yè)機(jī)會(huì)，并且將對(duì)美國(guó)經(jīng)濟(jì)的再次崛起發(fā)揮重要的作用。

在這里，“自動(dòng)化”和“機(jī)器人”都有特定的含義。機(jī)器人技術(shù)主要指裝配有傳感器和促動(dòng)器的系統(tǒng)，能夠自動(dòng)化或者半自動(dòng)化地和人類(lèi)進(jìn)行合作。機(jī)器人的研究強(qiáng)調(diào)應(yīng)對(duì)無(wú)條理環(huán)境的智能性和適應(yīng)性，而自動(dòng)化的研究主要針對(duì)有條理的、有明確結(jié)構(gòu)的環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間工作的自動(dòng)化系統(tǒng)的效率、生產(chǎn)力、質(zhì)量和可靠性。

我們的目標(biāo)有兩個(gè)層面：第一，揭示機(jī)器人和自動(dòng)化技術(shù)在美國(guó)制造業(yè)中的策略重要性；第二，提出能夠使用機(jī)器人和自動(dòng)化技術(shù)提高生產(chǎn)力的案例。

圖1 ：機(jī)器人在制造業(yè)中的策略重要性

機(jī)器人在制造業(yè)中的策略重要性

經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力

上世紀(jì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)來(lái)自于工業(yè)化，而核心就在于制造業(yè)。制造業(yè)部分提供了12%的美國(guó)GDP 和9%的總就業(yè)。美國(guó)總出口的70%也歸功于制造業(yè)。因此，制造業(yè)代表了國(guó)家整體健康經(jīng)濟(jì)的重要環(huán)節(jié)。在制造業(yè)當(dāng)中，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)總值達(dá)到了80億美元，并每年以9%穩(wěn)定增長(zhǎng)。這個(gè)核心的機(jī)器人工業(yè)受到了制造業(yè)的大力支持，例如提供儀器，附屬的自動(dòng)化設(shè)施以及系統(tǒng)的整合，一共貢獻(xiàn)了300億美元的工業(yè)總值。

在過(guò)去30年里，美國(guó)的制造業(yè)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的變化。除了對(duì)加拿大、中國(guó)、墨西哥和日本顯著的貿(mào)易逆差，制造業(yè)仍舊是美國(guó)經(jīng)濟(jì)的主要部分。制造業(yè)包含了所有物品的生產(chǎn)制造，從消費(fèi)電子到工業(yè)設(shè)備，貢獻(xiàn)了12%的美國(guó)GDP和9%的就業(yè)。美國(guó)制造業(yè)生產(chǎn)力超越了主要的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。在所有國(guó)家中，無(wú)論是單位時(shí)間和單位員工的平均生產(chǎn)力，美國(guó)都處于第一位。美國(guó)人均生產(chǎn)力持續(xù)增長(zhǎng)，在過(guò)去30年里生產(chǎn)力翻倍。實(shí)際上，正是不斷提高的生產(chǎn)力使得美國(guó)制造業(yè)在經(jīng)濟(jì)衰退中保持競(jìng)爭(zhēng)力，并在面對(duì)其他快速增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)體，例如中國(guó)和印度時(shí)復(fù)蘇。生產(chǎn)力的增長(zhǎng)和效率主要?dú)w功于技術(shù)的革新和其在產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用。目前，中國(guó)被認(rèn)為是制造業(yè)的領(lǐng)頭羊，但是預(yù)計(jì)在2020年，美國(guó)制造業(yè)在產(chǎn)值和生產(chǎn)力方面都將超越中國(guó)。

然而，這種關(guān)系會(huì)一直變化。潛在的國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)者正在開(kāi)展改善制造業(yè)過(guò)程的基礎(chǔ)研究和教育。另一方面，美國(guó)制造業(yè)的成果也在被用于科學(xué)研究，在過(guò)去十年時(shí)間里保持著穩(wěn)定的進(jìn)展。在這段時(shí)間里，美國(guó)制造業(yè)用于投資及開(kāi)發(fā)的資金基本沒(méi)有變化，而在全球視角下，美國(guó)總的研究發(fā)展經(jīng)費(fèi)已經(jīng)下降至30%。有時(shí)候，我們的外國(guó)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手用同樣的創(chuàng)新技術(shù)，但是用很少的勞動(dòng)力成本來(lái)削弱美國(guó)的統(tǒng)治地位，所以美國(guó)制造業(yè)面臨著越來(lái)越大壓力。美國(guó)的工業(yè)產(chǎn)品貿(mào)易差額以每十年500億美元的速度下降。此外，隨著人口老齡化，工人的數(shù)量也在急劇減少。樂(lè)觀估計(jì)，到2050年，每?jī)晌还と司鸵B(yǎng)一位退休工人。所以，機(jī)器人工人必須滿(mǎn)足人類(lèi)工人數(shù)量減少的同時(shí)增加工業(yè)生產(chǎn)力的要求。最后，機(jī)器人與自動(dòng)化技術(shù)的巨大進(jìn)步將會(huì)是下一代高附加值產(chǎn)品的關(guān)鍵。依靠先進(jìn)傳感器與微電子的納米尺度嵌入式計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)不再是勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)能夠勝任的。

反觀中國(guó)、韓國(guó)、日本以及印度，正大力投資于高等教育與研究機(jī)構(gòu)。印度與中國(guó)都正在有系統(tǒng)地召回他們?cè)诿绹?guó)培養(yǎng)的科學(xué)家與工程師。美國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)者們還在機(jī)器人技術(shù)和與制造相關(guān)的特定領(lǐng)域開(kāi)始動(dòng)搖美國(guó)的主導(dǎo)地位。韓國(guó)每年投資1億美元，連續(xù)投資十年(2002-2012)至機(jī)器人技術(shù)研究與教育相關(guān)項(xiàng)目。歐盟投入了超過(guò)6億美元用于研發(fā)機(jī)器人技術(shù)及其認(rèn)知系統(tǒng)，并且另外撥款9億美元至與制造業(yè)機(jī)器人相關(guān)的地平線計(jì)劃。日本也將在十年內(nèi)投入3.5億美元至仿人類(lèi)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人研發(fā)，并且宣布將在5年內(nèi)投入10億美元使日本成為工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的全球領(lǐng)導(dǎo)者。與上述國(guó)家投資額度相比，美國(guó)聯(lián)邦政府投資的資金是非常不足的。

并且，機(jī)器人技術(shù)對(duì)于自動(dòng)化物流也具有重要意義。亞馬遜在2012年花了7億美元收購(gòu)Kiva Systems公司，使它能夠?qū)⒆詈玫募夹g(shù)用于數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)化。此外，蘋(píng)果和聯(lián)想在使用機(jī)器人系統(tǒng)之后已經(jīng)不將亞洲作為其降低生產(chǎn)成本的第一選擇。在過(guò)去的十年里，中國(guó)工人的工資增幅為340%，而美國(guó)工人的工資增長(zhǎng)則低得多。此外，特斯拉公司在加利福尼亞州開(kāi)設(shè)了一個(gè)制造可代用燃料汽車(chē)的工廠，它應(yīng)用了高度的自動(dòng)化，這使它能繼續(xù)在美國(guó)生存。

經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)領(lǐng)域

美國(guó)商務(wù)部與競(jìng)爭(zhēng)力委員會(huì)分析了大量的公司數(shù)據(jù)以統(tǒng)計(jì)其綜合年增長(zhǎng)率。各主要工業(yè)部門(mén)分類(lèi)的數(shù)據(jù)如下表所示：

制造業(yè)目前的增長(zhǎng)領(lǐng)域包括物流、物料搬運(yùn)以及機(jī)器人技術(shù)。鑒于制造業(yè)的重要性，考慮如何利用機(jī)器人等技術(shù)增強(qiáng)美國(guó)制造業(yè)是非常有必要的。

機(jī)器人技術(shù)的消費(fèi)化

許多先進(jìn)技術(shù)都已證明，一旦技術(shù)被引入廣闊的消費(fèi)市場(chǎng)，一定會(huì)引起創(chuàng)新的增加與成本的降低。最顯著的例子就是個(gè)人計(jì)算機(jī)與移動(dòng)通信的出現(xiàn)。這兩種技術(shù)最初都是因?yàn)槠髽I(yè)的需要而進(jìn)行研發(fā)的。一旦這些技術(shù)被引入消費(fèi)市場(chǎng)，企業(yè)投入的研發(fā)金額便成倍增加，導(dǎo)致了技術(shù)的高速發(fā)展與成本的顯著降低。同時(shí)，這也刺激產(chǎn)生了大量新興行業(yè)與公司的建立。目前，這些行業(yè)與公司貢獻(xiàn)了很大比例的GDP并且正主宰著美國(guó)股市。

對(duì)機(jī)器人以及機(jī)器人相關(guān)技術(shù)市場(chǎng)的培育也會(huì)造成類(lèi)似影響。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子就是微軟為家庭電腦游戲市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的Kinect接口。它在語(yǔ)音與手勢(shì)互動(dòng)方面具有優(yōu)勢(shì)，使其在數(shù)量眾多的商業(yè)應(yīng)用中極具賣(mài)點(diǎn)。機(jī)器人技術(shù)“消費(fèi)化”的另一個(gè)好處就是使工人對(duì)機(jī)器人更加熟悉。當(dāng)人們習(xí)慣于在生活中與機(jī)器人進(jìn)行互動(dòng)時(shí)，才能更加適應(yīng)與機(jī)器人一起工作而不會(huì)將其視作威脅。比如，擁有iR obot公司生產(chǎn)的自動(dòng)真空吸塵器的消費(fèi)者中，有三分之二的消費(fèi)者為他們的吸塵器取名字，并且有三分之一的消費(fèi)者承認(rèn)他們會(huì)帶上吸塵器去拜訪朋友。

制造業(yè)的前景

今天的美國(guó)制造業(yè)就像是20世紀(jì)60年代的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，只是一個(gè)拼湊起來(lái)的解決方案，缺乏嚴(yán)格的方法論指導(dǎo)，無(wú)法進(jìn)行科學(xué)的創(chuàng)新。1970年，IBM的數(shù)學(xué)家Ted Codd發(fā)明了關(guān)系代數(shù)，一個(gè)高等的數(shù)學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)模型。這項(xiàng)技術(shù)得到美國(guó)聯(lián)邦政府的資助，并最終成長(zhǎng)為如今140億美元的數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)業(yè)。如果能夠發(fā)展出類(lèi)似的模型，制造業(yè)將極大地受益。就像將兩個(gè)數(shù)字相加的方法并不依賴(lài)于你所使用的鉛筆，制造業(yè)的抽象模型也應(yīng)該與產(chǎn)品是被單一地制造出來(lái)還是由生產(chǎn)線組裝生產(chǎn)完全無(wú)關(guān)。

另一個(gè)例子是圖靈機(jī)，由阿蘭·圖靈于20世紀(jì)30年代發(fā)明的一個(gè)高等抽象模型，從而確立了如今高科技產(chǎn)業(yè)的數(shù)學(xué)與科學(xué)基礎(chǔ)。與圖靈機(jī)類(lèi)比，制造業(yè)的抽象模型也將為設(shè)計(jì)、自動(dòng)化以及制造業(yè)帶來(lái)巨大的回報(bào)。目前，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域與信息科學(xué)的發(fā)展使將物理制造過(guò)程模型化，以及使研究人員“將圖靈機(jī)帶進(jìn)制造業(yè)”成為可能。其最終的結(jié)果，則會(huì)像數(shù)據(jù)庫(kù)及計(jì)算機(jī)一樣，使美國(guó)制造業(yè)所生產(chǎn)的產(chǎn)品具有更高的質(zhì)量、更好的可靠性、更低的成本以及更快的交付。

通過(guò)改進(jìn)機(jī)器人技術(shù)和培養(yǎng)高素質(zhì)的工作人員，可以更加高效地應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)，這將提高美國(guó)就業(yè)和全球競(jìng)爭(zhēng)力。傳統(tǒng)的流水線工人目前已到即將退休的年齡，他們還沒(méi)有接受使用機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行工作的訓(xùn)練，并且其保險(xiǎn)及醫(yī)療成本也在逐年增加。即便能夠負(fù)擔(dān)用工成本，生產(chǎn)下一代小型化、復(fù)雜化工業(yè)產(chǎn)品所需要的適應(yīng)性、精確度以及可靠性都已超出了工人的能力。在制造業(yè)中廣泛地引入先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)將會(huì)：

1）掌握知識(shí)產(chǎn)權(quán)與財(cái)富；

2）使公司更具競(jìng)爭(zhēng)力；

3）在機(jī)器人研發(fā)、制造、維護(hù)及訓(xùn)練領(lǐng)域創(chuàng)造就業(yè)崗位；

4）工廠可以雇傭人-機(jī)混合團(tuán)隊(duì)以充分利用彼此的技能與優(yōu)勢(shì)（比如人類(lèi)跟善于處置突發(fā)事件以保障生產(chǎn)線的運(yùn)行，而機(jī)器人善于完成精確性及重復(fù)性高的工作并且能夠舉起沉重的物件）；

5）減少昂貴的醫(yī)療問(wèn)題（如腕管綜合癥、背部受傷、燒傷以及吸入有毒氣體及蒸汽造成的損傷）；

6）縮短制造成品的交貨時(shí)間，使系統(tǒng)更加適應(yīng)零售商的需求變化。

在制造業(yè)上進(jìn)行投資可以重振美國(guó)制造業(yè)。將國(guó)家的小部分資源投入到經(jīng)濟(jì)高效資源節(jié)約型的制造業(yè)中，能夠使美國(guó)的消費(fèi)者受益并且支持在這一重要經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域工作的數(shù)百萬(wàn)工人。上述投資還能惠及醫(yī)療保健、農(nóng)業(yè)以及交通運(yùn)輸業(yè)，同時(shí)能夠增強(qiáng)國(guó)家在國(guó)防、能源及安全方面的資源建設(shè)。在未來(lái)五十年，由研究產(chǎn)生的一系列有利結(jié)果將極大地提高“美國(guó)制造”的質(zhì)量，并且使美國(guó)制造業(yè)蒸蒸日上。

研究路線圖

流程

制造業(yè)技術(shù)路線圖描述了制造業(yè)通過(guò)發(fā)展一系列機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)使其關(guān)鍵能力得到發(fā)展的前景。每一項(xiàng)關(guān)鍵能力都由一個(gè)或多個(gè)在制造業(yè)中廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域發(fā)展而來(lái)，且都指向某些基礎(chǔ)研發(fā)的主要技術(shù)領(lǐng)域（如下圖）。將路線圖的內(nèi)容整合為連貫的方案是非常重要的。

機(jī)器人技術(shù)與制造業(yè)的影響

現(xiàn)在我們用假想的例子對(duì)具有一定影響力的機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用和在應(yīng)用中具有很大積極作用的關(guān)鍵能力進(jìn)行介紹。這些假想的場(chǎng)景有助于說(shuō)明制造業(yè)模式的變化，也是能力與技術(shù)融合的實(shí)例。本路線圖闡明了各項(xiàng)能力在5年、10年、15年時(shí)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

事例1：流水線輔助機(jī)器人

汽車(chē)制造商面臨著其新型電動(dòng)汽車(chē)訂單的激增，需要快速整合其他已生產(chǎn)完畢的早期型號(hào)汽車(chē)流水線的生產(chǎn)能力。流水線快速地進(jìn)行了任務(wù)的重新分配，以適應(yīng)新的汽車(chē)模型。工廠購(gòu)置了一組流水線輔助機(jī)器人，其被很快地進(jìn)行了設(shè)置并開(kāi)始與人類(lèi)工人一起完成新的任務(wù)。流水線的第一項(xiàng)作業(yè)是要對(duì)機(jī)器人參數(shù)進(jìn)行微調(diào)以?xún)?yōu)化其傳感器系統(tǒng)與機(jī)器學(xué)習(xí)算法，第二項(xiàng)作業(yè)是在4天的執(zhí)行時(shí)間里使工廠產(chǎn)量翻番。緊接著，一個(gè)關(guān)鍵供應(yīng)商要求更改裝配序列以適應(yīng)電池組在裝配過(guò)程中的耐受程度。于是工程師使用計(jì)算工具快速修改了裝配程序，將其打印給工人，并將新的裝配程序上載至流水線輔助機(jī)器人。這種靈活的制造業(yè)正逐步進(jìn)入我們的生活。比如，2012年8月，R ethink R obotics公司宣布，其價(jià)值2.2萬(wàn)美元的機(jī)器人Baxter可由未經(jīng)培訓(xùn)或極少培訓(xùn)的演示示范而直接對(duì)其進(jìn)行編程。安裝與操作成本的降低將改變未來(lái)自動(dòng)化技術(shù)在商業(yè)案例中的應(yīng)用。

事例2：獨(dú)特離散部件制造與組裝

一個(gè)職業(yè)醫(yī)師來(lái)到一個(gè)只有5名員工、主要接受來(lái)自醫(yī)療器械公司訂單的小工廠。他想制造一種乘坐輪椅的四肢癱瘓病人所使用的頭部控制輸入裝置。今天，這種特殊的設(shè)備都非常昂貴，因?yàn)閷?duì)其進(jìn)行制造與組裝將花費(fèi)大量的時(shí)間與勞動(dòng)來(lái)對(duì)機(jī)器進(jìn)行設(shè)置。這個(gè)小工廠的老板擁有一臺(tái)可接受語(yǔ)音及手勢(shì)命令的機(jī)器人，在機(jī)器人不知如何處置時(shí)可對(duì)其進(jìn)行指示。這臺(tái)機(jī)器人能將加工材料放置于銑床或車(chē)床上并開(kāi)動(dòng)機(jī)器，并且能夠?qū)Ρ匾臋C(jī)械與電子組件進(jìn)行設(shè)置，并在指令模糊而無(wú)法動(dòng)作時(shí)請(qǐng)求協(xié)助。在不同工作位置之間的移動(dòng)中，機(jī)器人能夠清理冷卻劑的泄漏并且對(duì)在狹小空間進(jìn)行工作的工人進(jìn)行安全提示。機(jī)器人能夠響應(yīng)工作時(shí)的快速請(qǐng)求，并且不會(huì)因?yàn)樵撜?qǐng)求會(huì)對(duì)其主要工作造成延遲而拒絕。最后，機(jī)器人對(duì)組件進(jìn)行裝配并且在下午將產(chǎn)品裝車(chē)。這樣的突發(fā)性工作對(duì)工廠的日常工作只造成了很小的中斷。

事例3：快速、集成且基于模型的供應(yīng)鏈設(shè)計(jì)

國(guó)外主要供應(yīng)商提供的用于嬰兒配方奶粉的包裝被發(fā)現(xiàn)具有嚴(yán)重的質(zhì)量控制問(wèn)題。在美國(guó)的首席工程師能夠使用綜合的多尺度模數(shù)融合供應(yīng)鏈模型，引入新的供應(yīng)商，重用供應(yīng)鏈中可重用部分并且對(duì)整個(gè)供應(yīng)鏈的轉(zhuǎn)變?cè)斐捎绊懀喊ㄉa(chǎn)、分配、裝箱、供應(yīng)及分銷(xiāo)。整個(gè)轉(zhuǎn)變中最重要的部分是20臺(tái)用于快速生產(chǎn)以對(duì)包裝袋進(jìn)行重新設(shè)計(jì)的機(jī)器人。

這些例子在今天看起來(lái)也許還很遙遠(yuǎn)，但我們已經(jīng)擁有了技術(shù)基礎(chǔ)，大量的專(zhuān)業(yè)人員、教育基礎(chǔ)設(shè)施以及在關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域適當(dāng)?shù)耐顿Y。這些基礎(chǔ)能夠讓我們?cè)?5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。

制造業(yè)的關(guān)鍵能力

在本節(jié)中，我們將對(duì)制造業(yè)的關(guān)鍵能力進(jìn)行簡(jiǎn)要的討論，并且給出5年、10年及15年可能會(huì)達(dá)到的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。在后續(xù)內(nèi)容中，我們將討論一些可以使我們達(dá)到上述技術(shù)節(jié)點(diǎn)的具有前景的研究方向。

具備可適應(yīng)性及重構(gòu)性的生產(chǎn)線

今天，一種新產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到在生產(chǎn)線上進(jìn)行制造之間的時(shí)間間隔大得無(wú)法接受。對(duì)于一輛新型汽車(chē)來(lái)說(shuō)，這個(gè)時(shí)間間隔能長(zhǎng)達(dá)兩年。當(dāng)面對(duì)一個(gè)新的產(chǎn)品以及可以進(jìn)行生產(chǎn)的生產(chǎn)線子系統(tǒng)時(shí)，我們希望能夠?qū)ψ酉到y(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)設(shè)置，設(shè)立工作站來(lái)進(jìn)行新產(chǎn)品的生產(chǎn)。因此，在未來(lái)15年，具備適應(yīng)性及重構(gòu)性生產(chǎn)線的路線圖包含表1三個(gè)目標(biāo)：

表1 ：具備可適應(yīng)性及重構(gòu)性的生產(chǎn)線

表2 ：自主導(dǎo)航

自主導(dǎo)航

人自主導(dǎo)航是一項(xiàng)基本能力，這將影響采礦和建筑裝備的自動(dòng)化，原材料到成品的高效運(yùn)輸，在裝配生產(chǎn)線上對(duì)原材料進(jìn)行裝卸處理并將成品帶往檢查站的導(dǎo)引車(chē)輛的自動(dòng)化，以及類(lèi)似于入庫(kù)存儲(chǔ)和調(diào)配的后勤支持的操作。使機(jī)器人能夠在包含靜止障礙物、車(chē)輛、行人以及動(dòng)物的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中進(jìn)行安全的自主導(dǎo)航，需要在組成部件技術(shù)上有關(guān)鍵性的投資。自主導(dǎo)航的路線圖包含表2種的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。

綠色制造業(yè)

美國(guó)建筑師William McDonough說(shuō)：“污染是設(shè)計(jì)（與制造）失敗的標(biāo)識(shí)。”目前，從組件到系統(tǒng)，滿(mǎn)足自上而下需求的制造業(yè)需要進(jìn)行全面的重新構(gòu)想。制造業(yè)對(duì)于減少?gòu)U棄物的解決方式絕大部分是針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物、可利用廢棄物以及在停工和維護(hù)時(shí)產(chǎn)生的廢棄物。我們針對(duì)綠色制造業(yè)的路線圖著眼于所有組件及系統(tǒng)在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的回收利用，其過(guò)程包括從原材料的開(kāi)采與加工，到產(chǎn)品制造與分發(fā)，到最后材料的回收（見(jiàn)表3）。為了能夠達(dá)成逐步的改變，我們必須引進(jìn)新的制造業(yè)技術(shù)且新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)也必須遵循綠色制造這一目標(biāo)。比如，向增材制造過(guò)渡將會(huì)極大地減少產(chǎn)品或零件生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢料。新的物流系統(tǒng)也需要具有廣泛的回收能力。目前，物流系統(tǒng)很難回收那些制造企業(yè)無(wú)法回收或其本可以進(jìn)行回收但不回收的材料。我們非常關(guān)注制造業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的重用、原材料的回收、每一個(gè)制造環(huán)節(jié)里對(duì)能源使用的最小化以及為生產(chǎn)新產(chǎn)品對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)置。

表3 ：綠色制造業(yè)

表4 ：類(lèi)人的靈巧操作技術(shù)

類(lèi)人的靈巧操作技術(shù)

機(jī)器人手臂與手掌的靈活度最終將超越人類(lèi)。在速度與強(qiáng)度方面，這已經(jīng)是既成現(xiàn)實(shí)。然而，與機(jī)器人手相比，人類(lèi)的手在完成那些需要高靈巧度方面的任務(wù)時(shí)仍然具有優(yōu)勢(shì)。這種差距歸因于機(jī)器感知、可靠的高保真?zhèn)鞲衅饕约耙?guī)劃與控制等關(guān)鍵技術(shù)。機(jī)器人的靈巧操作技術(shù)路線圖包含表4的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。

基于模型的供應(yīng)鏈整合與設(shè)計(jì)

目前，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域與信息科學(xué)的發(fā)展使將物理制造過(guò)程模型化、使研究人員“將圖靈機(jī)帶進(jìn)制造業(yè)”成為可能。如果完成此項(xiàng)技術(shù)，制造業(yè)會(huì)像數(shù)據(jù)庫(kù)及計(jì)算機(jī)一樣蓬勃發(fā)展，使系統(tǒng)與組件具有互操作性，產(chǎn)品具有更高的質(zhì)量、更好的可靠性、更低的成本以及更快的交付。所以，基于模型的供應(yīng)鏈整合與設(shè)計(jì)路線圖具有表5的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。

表5 ：基于模型的供應(yīng)鏈整合與設(shè)計(jì)

表6 ：納米級(jí)制造

納米級(jí)制造

經(jīng)典的基于CMOS的集成電路與計(jì)算模式正被新的納米級(jí)制造與計(jì)算技術(shù)超越。我們已經(jīng)看到了非硅微系統(tǒng)技術(shù)以及使用自然界中觀察到的合成技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建的新方法的成長(zhǎng)與發(fā)展。微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、低功耗超大規(guī)模集成電路以及納米技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)使次毫米級(jí)自供能機(jī)器人的出現(xiàn)成為可能。新的并行甚至隨機(jī)裝配技術(shù)有望出現(xiàn)。傳統(tǒng)的制造方式將被新的、目前只存在于想象中的納米級(jí)制造方式所取代。故納米級(jí)制造以及納米機(jī)器人技術(shù)必須強(qiáng)調(diào)其基礎(chǔ)研發(fā)（見(jiàn)表6）。

表7 ：非結(jié)構(gòu)化環(huán)境感知技術(shù)

非結(jié)構(gòu)化環(huán)境感知技術(shù)

在自動(dòng)化制造業(yè)中，固定的自動(dòng)化設(shè)備已被證明更加易于進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。除了一些特定應(yīng)用之外，柔性自動(dòng)化技術(shù)以及大規(guī)模定制自動(dòng)化技術(shù)的前景并未受到關(guān)注。造成這種現(xiàn)象的主要原因之一是固定的自動(dòng)化設(shè)備為自身構(gòu)建了一個(gè)結(jié)構(gòu)化的環(huán)境以極大地簡(jiǎn)化“智能”制造所面臨的挑戰(zhàn)。小批量的自動(dòng)化制造要求機(jī)器人更加智能、靈活，并能在與人類(lèi)工人共同工作的低結(jié)構(gòu)化環(huán)境中安全地運(yùn)行。比如，在產(chǎn)品流層面，機(jī)器人及其他機(jī)器設(shè)備需要在各種不同的地點(diǎn)進(jìn)行工作，以完成對(duì)產(chǎn)品（比如一架飛機(jī)或一艘輪船）的制造，而在功能層面，則是產(chǎn)品在各種機(jī)器設(shè)備間進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。單一部件制造的挑戰(zhàn)性加劇了上述困難。感知技術(shù)的路線圖包含表7中的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。

與人類(lèi)共事的內(nèi)稟安全機(jī)器人：機(jī)器人大眾化

現(xiàn)在有很多關(guān)于內(nèi)稟安全機(jī)器人的討論，這些討論并不只是局限于“內(nèi)稟安全”這個(gè)詞匯的具體含義?！皟?nèi)稟安全”的設(shè)備被定義為“在正?；虍惓l件下，在某種特定危險(xiǎn)氣體最易被點(diǎn)燃的情況下，無(wú)法釋放出足夠?qū)⑵湟茧娔芑驘崮艿脑O(shè)備或布線”。簡(jiǎn)而言之，一臺(tái)“內(nèi)稟安全”的設(shè)備無(wú)法引燃可燃?xì)怏w?！皟?nèi)稟安全”的要求顯然也需要像其他被設(shè)計(jì)用制造業(yè)領(lǐng)域的機(jī)器一樣，在機(jī)器人系統(tǒng)中得到重視。雖然顯而易見(jiàn)的是“內(nèi)稟安全”會(huì)為機(jī)器人的行為帶來(lái)更多負(fù)擔(dān)，但也許這更關(guān)系到“內(nèi)稟”這個(gè)詞本身的定義。

內(nèi)稟：屬于其本質(zhì)或構(gòu)造的事物；來(lái)源并包含于有機(jī)體或其部分。

這就是癥結(jié)所在：我們期望機(jī)器人必須從內(nèi)在來(lái)說(shuō)就是安全的，對(duì)人類(lèi)完全無(wú)害的，不管這會(huì)有怎樣的代價(jià)。這來(lái)源于那種害怕人類(lèi)可能會(huì)制造出某種凌駕于人類(lèi)之上的東西的文化。也許，我們已經(jīng)制造出了凌駕于人類(lèi)之上的產(chǎn)物。

比如，汽車(chē)是危險(xiǎn)的。第一輛不用馬匹的馬車(chē)對(duì)于路上其他傳統(tǒng)的馬車(chē)來(lái)說(shuō)是個(gè)威脅，不過(guò)我們?cè)缫堰^(guò)了那個(gè)年代?，F(xiàn)在的高速公路上，你可以以超過(guò)120公里的速度超車(chē)。這并不是說(shuō)汽車(chē)具有“內(nèi)稟安全“，而是說(shuō)我們已經(jīng)學(xué)會(huì)接受汽車(chē)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。隨著時(shí)間的過(guò)去，我們逐漸創(chuàng)造了一個(gè)依賴(lài)于人類(lèi)對(duì)其能力、限制以及在高速路上開(kāi)車(chē)所面臨風(fēng)險(xiǎn)都具有認(rèn)知的交通系統(tǒng)。我們將汽車(chē)大眾化，讓汽車(chē)與大眾相關(guān)，讓大眾需要汽車(chē)，汽車(chē)才成為我們社會(huì)的一部分。

表8 ：機(jī)器人與人類(lèi)共事的路線圖如下：

在制造業(yè)領(lǐng)域中進(jìn)行機(jī)器人的大眾化，必須引入一個(gè)類(lèi)似的風(fēng)險(xiǎn)和責(zé)任評(píng)估模型。像開(kāi)車(chē)一樣，制造業(yè)的環(huán)境本身就蘊(yùn)含一定程度的風(fēng)險(xiǎn)。我們的目標(biāo)是當(dāng)機(jī)器人被加入到制造業(yè)中時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)程度不會(huì)因此提高。對(duì)此目標(biāo)是否達(dá)到的一個(gè)可以接受的衡量指標(biāo)是工作損失天數(shù)。如果工作損失天數(shù)在引入機(jī)器人或自動(dòng)化設(shè)備之后沒(méi)有增加，那么我們就走在機(jī)器人大眾化的正確道路上。之后我們將繼續(xù)發(fā)展并細(xì)化安全標(biāo)準(zhǔn)，并且為用戶(hù)自定義任務(wù)找到工程系統(tǒng)化的解決方案。

事實(shí)上，我們必須安全地展開(kāi)并且持續(xù)鼓勵(lì)針對(duì)用戶(hù)溝通需求的協(xié)同解決方案。這就包括對(duì)每個(gè)自動(dòng)裝置的能力、限制以及相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定義。創(chuàng)新的多樣性將推動(dòng)對(duì)機(jī)器人風(fēng)險(xiǎn)和責(zé)任評(píng)估模型的接受。社會(huì)對(duì)人類(lèi)與機(jī)器人同在工廠工作的理解與大的文化環(huán)境將會(huì)隨著機(jī)器人的大眾化一起到來(lái)。上述社會(huì)氛圍只會(huì)在機(jī)器人用戶(hù)數(shù)量拓寬的基礎(chǔ)上隨時(shí)間慢慢發(fā)生。自然語(yǔ)言編程、控制學(xué)習(xí)以及材料技術(shù)的進(jìn)展都是可能加速這一過(guò)程的潛在途徑。

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