作者：孫富春，劉華平，陶霖密
清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系；智能技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；清華信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室
【孫富春】清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系教授，博士生導(dǎo)師，全國(guó)優(yōu)秀博士論文獎(jiǎng)和國(guó)家杰出青年基金獲得者。兼任清華大學(xué)學(xué)術(shù)委員會(huì)委員，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系學(xué)術(shù)委員會(huì)主任，智能技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任。兼任國(guó)家863計(jì)劃專家組成員，國(guó)家自然基金委重大研究計(jì)劃“視聽(tīng)覺(jué)信息的認(rèn)知計(jì)算”指導(dǎo)專家組成員，中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)認(rèn)知系統(tǒng)與信息處理專業(yè)委員會(huì)主任，中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)認(rèn)知計(jì)算與系統(tǒng)專業(yè)委員會(huì)主任，國(guó)際刊物《IEEE Trans. on Fuzzy Systems》，《IEEE Trans. on Systems, Man and Cybernetics: Systems》《Mechatronics》和《International Journal of Control, Automation, and Systems (IJCAS)》副主編或領(lǐng)域主編，國(guó)際刊物《Robotics and Autonumous Systems》和《International Journal of Computational Intelligence Systems》編委，國(guó)內(nèi)刊物《中國(guó)科學(xué)：F輯》和《自動(dòng)化學(xué)報(bào)》編委。
隨著全球機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的飛速增長(zhǎng)，機(jī)器人技術(shù)在保障國(guó)家安全、推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型、改善人民生活水平，以及引領(lǐng)科學(xué)技術(shù)發(fā)展等方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。制造模式、生活方式、軍事作戰(zhàn)形態(tài)的顛覆性變化，推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)迅猛發(fā)展，使之成為一種面向未來(lái)的戰(zhàn)略性技術(shù)，已成為未來(lái)國(guó)與國(guó)之間競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。2014年6月9日，在中國(guó)科學(xué)院第十七次院士大會(huì)、中國(guó)工程院第十二次院士大會(huì)上，習(xí)近平主席強(qiáng)調(diào)：“機(jī)器人革命”有望成為“第三次工業(yè)革命”的一個(gè)切入點(diǎn)和重要增長(zhǎng)點(diǎn)，將影響全球制造業(yè)格局。2015年11月23日，世界機(jī)器人大會(huì)在北京召開(kāi)，李源潮副主席參加了開(kāi)幕式并致辭。這一系列舉措，掀起了機(jī)器人研究與開(kāi)發(fā)的熱潮。
從未來(lái)10年乃至20年的發(fā)展角度看，機(jī)器人將越來(lái)越深入地融入社會(huì)，在更加動(dòng)態(tài)和不確定的環(huán)境下，完成復(fù)雜和精細(xì)的操作任務(wù)。同時(shí)，我們也必須認(rèn)識(shí)到，機(jī)器人無(wú)論如何發(fā)展，都只能是人類生活和工作的工具和幫手，輔助人類完成一些復(fù)雜、危險(xiǎn)的工作。機(jī)器人將在人類的控制之下自主地執(zhí)行任務(wù)，最終形成人和機(jī)器人協(xié)同工作的和諧環(huán)境。
目前人類生活的空間，是完全根據(jù)人類的認(rèn)知能力和物理限制而建造的。未來(lái)人類建造或改造環(huán)境時(shí)，必須考慮人類和機(jī)器人之間的相互關(guān)系，使得未來(lái)人類生活和工作的環(huán)境適合機(jī)器人輔助人類生活、人和機(jī)器人協(xié)同工作。因此，機(jī)器人一方面需要借助腦科學(xué)和類人認(rèn)知計(jì)算，通過(guò)云計(jì)算、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)提高自身的認(rèn)知能力；另一方面也需要在環(huán)境建造或改造中提出和研制易于人類和機(jī)器人操作的接口、設(shè)備等，研究新的機(jī)器人操作系統(tǒng)和控技術(shù)，提高機(jī)器人的精細(xì)與靈巧作業(yè)能力，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和環(huán)境、設(shè)備的相互適應(yīng)和共同進(jìn)化，創(chuàng)造人和機(jī)器人和諧、協(xié)同工作的新空間。
綜上所述，新一代機(jī)器人要求借助腦科學(xué)和類人認(rèn)知計(jì)算方法，通過(guò)云計(jì)算、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，增強(qiáng)機(jī)器人感知、環(huán)境理解和認(rèn)知決策能力。通過(guò)對(duì)人和機(jī)器人認(rèn)知和物理能力、需求的深入分析和理解，構(gòu)造人和機(jī)器人的共生物理空間。使得機(jī)器人能夠完成復(fù)雜、動(dòng)態(tài)環(huán)境下的主動(dòng)服務(wù)和自適應(yīng)操作。
作為機(jī)器人領(lǐng)域的后發(fā)國(guó)家，我國(guó)在智能機(jī)器人領(lǐng)域相比于歐美日等先進(jìn)國(guó)家還有相當(dāng)大的差距。然而，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的變革，以及腦科學(xué)研究和類人認(rèn)知計(jì)算技術(shù)的興起，給機(jī)器人領(lǐng)域帶來(lái)了新的跨越式發(fā)展機(jī)遇。目前，云腦機(jī)器人及人與機(jī)器人共生物理空間研究仍然是國(guó)際上的空白，它的研發(fā)、制造和應(yīng)用是衡量一個(gè)國(guó)家科技創(chuàng)新、高端制造業(yè)水平和綜合實(shí)力的重要標(biāo)志，必將是國(guó)家安全的基石和形成支柱產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略引擎。抓住這個(gè)重大的歷史機(jī)遇期，增強(qiáng)我國(guó)在機(jī)器人領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力，是我國(guó)機(jī)器人研究和發(fā)展趕上和超越國(guó)際水平的重要途徑。
人類大腦具有非常強(qiáng)大的信息處理和認(rèn)知功能，人類對(duì)自己的大腦及其功能的研究，歷經(jīng)數(shù)百年，取得了巨大的進(jìn)步，但依然處于十分初級(jí)的階段。人類對(duì)自己大腦運(yùn)行原理的理解，依然十分有限。因此，類腦計(jì)算面臨著非常巨大的挑戰(zhàn)，尋找一個(gè)易于突破的方向，是當(dāng)前類腦計(jì)算領(lǐng)域亟待解決的重大問(wèn)題。
使機(jī)器人也具有同人類一樣的腦-手功能，將人類從瑣碎和危險(xiǎn)環(huán)境的勞作中解放出來(lái)，一直是人類追求的夢(mèng)想。隨著人類對(duì)腦-手認(rèn)知功能理解的加深，從腦-手生物系統(tǒng)認(rèn)知機(jī)理的角度研究仿生機(jī)器人，已成為機(jī)器人發(fā)展的重要方向。而這些研究有賴于對(duì)人類腦-手感覺(jué)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)多源信息編碼和神經(jīng)協(xié)同機(jī)理的認(rèn)知，以及如何將其轉(zhuǎn)化為仿生機(jī)械手靈巧操作的理論方法。這里首當(dāng)其沖需要解決的就是腦-手感知運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)多源感知信息的編解碼、神經(jīng)協(xié)同運(yùn)動(dòng)機(jī)理。人手、臂的運(yùn)動(dòng)行為是運(yùn)動(dòng)皮層和感覺(jué)皮層等多腦區(qū)參與的神經(jīng)信息協(xié)同表征與處理結(jié)果，而運(yùn)動(dòng)行為的學(xué)習(xí)則須將各種相關(guān)感知信息如視覺(jué)、觸覺(jué)、溫度覺(jué)等，編碼后傳入中樞神經(jīng)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)重復(fù)整合并存入長(zhǎng)期記憶中。
目前對(duì)于腦-手運(yùn)動(dòng)機(jī)理的分析通常限定為初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層或運(yùn)動(dòng)前區(qū)與手具體運(yùn)動(dòng)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)性，而對(duì)于如何同時(shí)將多種感官信息傳輸?shù)饺四X、如何表示、整合，并長(zhǎng)期存貯用于指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)技能的學(xué)習(xí)，則鮮有研究。揭示腦-手運(yùn)動(dòng)行為在神經(jīng)信息中的動(dòng)態(tài)表征機(jī)理，從細(xì)胞、回路和腦區(qū)三個(gè)層次上分別研究神經(jīng)元活動(dòng)與運(yùn)動(dòng)行為在時(shí)間與空間分布上的系統(tǒng)量化關(guān)聯(lián)性，對(duì)多腦區(qū)、高通量、時(shí)變、非線性的神經(jīng)信號(hào)，進(jìn)行高效、動(dòng)態(tài)、聯(lián)合的傳感測(cè)試與解析，是當(dāng)前腦科學(xué)和人工智能領(lǐng)域面臨的共同挑戰(zhàn)。
云腦機(jī)器人的類人認(rèn)知離不開(kāi)神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展。受大腦視覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)啟發(fā)建立的深度學(xué)習(xí)已在某些方面接近于大腦對(duì)于信息的處理能力。然而,深度學(xué)習(xí)仍然不完全具備大腦的認(rèn)知能力，比如自主學(xué)習(xí)、對(duì)于多種模態(tài)的快速切換和自由融合、運(yùn)動(dòng)與感知的一體化等。因此，云腦機(jī)器人還需要從大腦借鑒更多的知識(shí)才能達(dá)到真正的類人認(rèn)知。其次,為了實(shí)現(xiàn)類人認(rèn)知，需要發(fā)展一種開(kāi)放的、可擴(kuò)展的、可重構(gòu)的云腦計(jì)算體系結(jié)構(gòu)，制造類腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等新型機(jī)器人的“大腦”。
目前，美國(guó)、歐洲等均啟動(dòng)了類腦芯片及新型體系結(jié)構(gòu)等的研究，最引人矚目的成果是 IBM 公司于2014 年8月發(fā)布的類腦芯片TrueNorth，其中含有100萬(wàn)個(gè)可編程神經(jīng)元、2.56億個(gè)可編程突觸，每秒可進(jìn)行 2560 億次突觸運(yùn)算。每消耗一焦耳的能量，可進(jìn)行460億突觸運(yùn)算。國(guó)際上開(kāi)展類似研究的還有許多知名企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)，包括英特爾、ARM、惠普、高通、斯坦福大學(xué)、曼徹斯特大學(xué)、海德堡大學(xué)等。我國(guó)的腦計(jì)劃項(xiàng)目也在緊鑼密鼓地進(jìn)行。清華大學(xué)也于最近研制成功了類腦計(jì)算芯片天機(jī) 1 號(hào)。這方面的研究成果有望為云腦機(jī)器人的研發(fā)提供強(qiáng)有力的支持。
云腦機(jī)器人研究需要大數(shù)據(jù)技術(shù)的支撐。目前的大數(shù)據(jù)計(jì)算的前沿研究熱點(diǎn)目前正拓展對(duì)信息系統(tǒng)、物理系統(tǒng)和人類社會(huì)之間的高度耦合機(jī)理和互動(dòng)模型研究。如何在現(xiàn)有認(rèn)知科學(xué)和信息科學(xué)的研究基礎(chǔ)上，對(duì)跨時(shí)空大數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)、對(duì)象和事件的屬性進(jìn)行建模、分析和挖掘，揭示跨時(shí)空大數(shù)據(jù)的高度耦合機(jī)理和融合交互規(guī)律，解決將人類知識(shí)與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的大數(shù)據(jù)技術(shù)有效結(jié)合的關(guān)鍵問(wèn)題，是大數(shù)據(jù)計(jì)算的研究趨勢(shì)，亦是云腦機(jī)器人認(rèn)知與決策的重要基礎(chǔ)。在智能決策方面，隨著人們對(duì)人類腦神經(jīng)系統(tǒng)、感覺(jué)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)多源信息編碼和神經(jīng)協(xié)同機(jī)理的認(rèn)知，如何研究利用基于這些認(rèn)知機(jī)理的智能控制理論與技術(shù)，并將其應(yīng)用于機(jī)器人，增強(qiáng)機(jī)器人對(duì)不確定環(huán)境的適應(yīng)能力和精細(xì)與靈巧操作能力，是云腦機(jī)器人智能控制研究的核心技術(shù)之一。目前,匹斯堡大學(xué),布朗大學(xué)和浙江大學(xué)等單位已通過(guò)對(duì)獼猴和人的腦神經(jīng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)認(rèn)知機(jī)理的揭示，研究新型的機(jī)器人操作理論方法，并進(jìn)行了獼猴和人的典型抓取實(shí)驗(yàn)。作者領(lǐng)導(dǎo)的課題組開(kāi)展了機(jī)械手高分辨率多模態(tài)陳列傳感裝置以及基于經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)的機(jī)械手精細(xì)操作方法的研究，并將其應(yīng)用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)。
盡管類腦計(jì)算和云計(jì)算目前已經(jīng)取得顯著進(jìn)展，云腦機(jī)器人的研究依然面臨巨大挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，應(yīng)該在以下方面開(kāi)展深度研究：
1）云腦機(jī)器人系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多模態(tài)感知信息完成對(duì)作業(yè)環(huán)境的進(jìn)行認(rèn)知并對(duì)操作目標(biāo)進(jìn)行精細(xì)與靈巧操作是云腦機(jī)器人必備的能力。擬突破該體系中網(wǎng)絡(luò)與機(jī)器人、機(jī)器人與機(jī)器人之間的感知運(yùn)算存儲(chǔ)等資源的配置、角色分配、任務(wù)分工、協(xié)作方式以及人機(jī)情感交互，以及基于類人認(rèn)知的機(jī)器人精細(xì)與靈巧操作等問(wèn)題。研制認(rèn)知專用加速芯片，實(shí)現(xiàn)高性能功耗比的復(fù)雜認(rèn)知功能。研究支持多機(jī)器人協(xié)作的云端融合體系結(jié)構(gòu)，根據(jù)任務(wù)復(fù)雜度、數(shù)據(jù)量、網(wǎng)絡(luò)狀況以及機(jī)器人的電源狀況等自動(dòng)選取優(yōu)化的云端任務(wù)劃分和機(jī)器人間任務(wù)劃分機(jī)制，降低總體成本、功耗，提高任務(wù)執(zhí)行效率。突破云端融合的智能機(jī)器人編程方法、編譯器和運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)云腦機(jī)器人性能的整體跨越。研究超智機(jī)器人與智能家居環(huán)境和智能制造環(huán)境進(jìn)行信息交互和操作控制的方法與體系結(jié)構(gòu)。基于新型器件和新型類腦計(jì)算模型的研究，研究新一代認(rèn)知加速芯片。
2）云腦機(jī)器人的類人認(rèn)知
機(jī)器人在感知外界事物時(shí)，需要從多個(gè)感官模態(tài)獲取信息，對(duì)這些信息有效整理用于認(rèn)知過(guò)程、指導(dǎo)后續(xù)行為，并可通過(guò)云計(jì)算和云存儲(chǔ)延伸感知能力。為此，需要發(fā)展云腦機(jī)器人的類人認(rèn)知基礎(chǔ)理論和方法，解決多模態(tài)信息“如何表達(dá)、如何處理、如何使用”以及類人認(rèn)知與現(xiàn)有信息處理系統(tǒng)如何高效融合等問(wèn)題。
3）云腦機(jī)器人的智能控制
云腦機(jī)器人需要高效處理來(lái)自網(wǎng)絡(luò)空間、物理空間和人類社會(huì)空間的跨時(shí)空復(fù)雜信息。因此，如何在與環(huán)境交互和共同進(jìn)化過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的決策與控制是云腦機(jī)器人必須具備的能力。為此，需要研究跨時(shí)空復(fù)雜環(huán)境下的智能控制理論、方法與系統(tǒng)。包括：（1）云腦控制的分層遞階結(jié)構(gòu)；（2）云腦控制的認(rèn)知機(jī)理；（3）面向云腦控制的人機(jī)交互；（3）云腦協(xié)調(diào)多任務(wù)規(guī)劃與決策。（4）云腦機(jī)器人核心功能部件，包括多模態(tài)、高分辯率陣列傳感裝置、仿生肌肉纖維和記憶合金協(xié)同驅(qū)動(dòng)裝置以及關(guān)鍵傳動(dòng)與控制器件等。
4）云腦機(jī)器人的大數(shù)據(jù)處理與分析
云腦機(jī)器人需要高效處理來(lái)自于網(wǎng)絡(luò)空間、物理空間和人類社會(huì)空間的跨時(shí)空大數(shù)據(jù)。如何智能地從與環(huán)境交互的海量歷史數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中自適應(yīng)學(xué)習(xí)與決策是云腦機(jī)器人必須具備的能力。為此，需要研究跨時(shí)空大數(shù)據(jù)環(huán)境下的智能信息處理理論、方法和系統(tǒng)，包括：（1）跨時(shí)空大數(shù)據(jù)的統(tǒng)一表達(dá)以及數(shù)據(jù)、屬性和語(yǔ)義的交互機(jī)制建模；（2）跨時(shí)空數(shù)據(jù)的變粒度結(jié)構(gòu)挖掘及其高度耦合機(jī)理；（3）知識(shí)與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的學(xué)習(xí)理論和高效算法；（4）開(kāi)放式動(dòng)態(tài)復(fù)雜環(huán)境下的隱含結(jié)構(gòu)識(shí)別、異構(gòu)推理與融合；（5）不確定環(huán)境下的高效智能決策與自適應(yīng)學(xué)習(xí)；（6）支持云腦機(jī)器人數(shù)據(jù)計(jì)算的大數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)架構(gòu)、質(zhì)量控制模型與高效算法，實(shí)現(xiàn)跨時(shí)空大數(shù)據(jù)并行處理機(jī)制及知識(shí)管理模式。
5）應(yīng)用示范
建立在云腦機(jī)器人基礎(chǔ)之上的服務(wù)機(jī)器人在未來(lái)養(yǎng)老服務(wù)中應(yīng)逐漸扮演起重要角色，利用多感覺(jué)整合與注意腦機(jī)制及其與人情感關(guān)系、人-機(jī)器人的友好交互、技能學(xué)習(xí)與智能決策等關(guān)鍵技術(shù)，提高機(jī)器人的認(rèn)知能力，提升服務(wù)機(jī)器人的智能化程度，承擔(dān)起養(yǎng)老服務(wù)，解放勞動(dòng)力，帶動(dòng)整個(gè)服務(wù)產(chǎn)業(yè)新發(fā)展，解決國(guó)家重大社會(huì)問(wèn)題。另一方面，云腦工業(yè)機(jī)器人在新工業(yè)時(shí)代大背景下，利用自主協(xié)同操控，面向復(fù)雜加工任務(wù)的自主制造，群組工業(yè)機(jī)器人的智能規(guī)劃、決策，基于網(wǎng)絡(luò)的人機(jī)共融操作等關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步提高工業(yè)技術(shù)水平，同時(shí)結(jié)合服務(wù)機(jī)器人生產(chǎn)、制造，進(jìn)行應(yīng)用示范。
為了攻克云腦機(jī)器人上述關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)該建立高等院校、企業(yè)和標(biāo)準(zhǔn)化組織協(xié)作的創(chuàng)新模式，為新技術(shù)的應(yīng)用提供市場(chǎng)準(zhǔn)入條件。在技術(shù)示范方面，要充分結(jié)合企業(yè)的工程實(shí)施能力和產(chǎn)品化能力，通過(guò)技術(shù)轉(zhuǎn)讓等成果轉(zhuǎn)化方式吸引相關(guān)企業(yè)參與項(xiàng)目實(shí)施。與相關(guān)行業(yè)管理部門積極溝通，以便于成果輻射整個(gè)生產(chǎn)行業(yè)，帶動(dòng)行業(yè)進(jìn)步。在人才保障方面，加強(qiáng)對(duì)云腦機(jī)器人科技人才培養(yǎng)的政策支持，吸納高素質(zhì)人員進(jìn)入機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域，建立高層次人才培養(yǎng)體系。此外，積極引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展與世界接軌。加強(qiáng)國(guó)際機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系研究，系統(tǒng)與裝備國(guó)際化頂層設(shè)計(jì)，國(guó)際合作機(jī)制研究，以及國(guó)際發(fā)達(dá)國(guó)家機(jī)器人技術(shù)跟蹤與發(fā)展態(tài)勢(shì)分析。
云腦機(jī)器人是新一代機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)云腦機(jī)器人的研究與開(kāi)發(fā)，形成完備的機(jī)器人產(chǎn)-學(xué)-研-用創(chuàng)新體系，具體包括突破云腦機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)、環(huán)境交互學(xué)習(xí)、認(rèn)知行為與作用機(jī)理、靈巧操作等基礎(chǔ)理論與核心技術(shù)，并研制大面積多模態(tài)、高分辯率陣列傳感裝置、類人認(rèn)知計(jì)算芯片、仿生肌肉纖維和記憶合金協(xié)同驅(qū)動(dòng)裝置等新型仿生感知與執(zhí)行器，開(kāi)發(fā)云腦機(jī)器人關(guān)鍵傳動(dòng)與控制器件，完成原創(chuàng)性的云腦機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)平臺(tái)研制，建立服務(wù)機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用示范。通過(guò)對(duì)云腦機(jī)器人的研發(fā)，不僅能夠快速提升我國(guó)在機(jī)器人領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，還能有力地促進(jìn)云計(jì)算、類腦計(jì)算與認(rèn)知計(jì)算的協(xié)同發(fā)展。
