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仿人機(jī)器人技術(shù)的現(xiàn)狀

2023年4月17日 來源：機(jī)器人網(wǎng)  瀏覽 247 次 評(píng)論（0）

想象這樣一種日常，人們與仿人機(jī)器人進(jìn)行智力討論，通過與它的點(diǎn)滴交流構(gòu)建情感聯(lián)結(jié)。想象這樣一個(gè)社會(huì)，機(jī)器人接管建筑工地或?yàn)?zāi)難現(xiàn)場(chǎng)的危險(xiǎn)工作，人類再也不必以身犯險(xiǎn)。想象這樣一個(gè)世界，簡單枯燥的重復(fù)工作，比如家務(wù)，可以全部交給機(jī)器人，人類只需專注完成要求創(chuàng)造力和思考能力的工作。想象這樣一個(gè)世界，我們借助機(jī)器人開展太空探索，人類的活動(dòng)范圍大大延伸。這些都是有望在不久的將來，人類借助半導(dǎo)體產(chǎn)品化為現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景。

仿人機(jī)器人技術(shù)的現(xiàn)狀


在英語中，Humanoid（仿人機(jī)器人）是一個(gè)復(fù)合詞，由“human（人類）”和后綴“-oid（類似的）”構(gòu)成，指的是“智力和軀體與人類相似的機(jī)器人”。以往，仿人機(jī)器人僅僅作為一種想象中的東西，出現(xiàn)在科幻電影中，但隨著先進(jìn)科技的發(fā)展，其有望在未來成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠帧?/span>
那么，我們離仿人機(jī)器人成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?，還有多遠(yuǎn)？1973年，在早稻田大學(xué)加藤一郎教授的領(lǐng)導(dǎo)下，第一個(gè)成功實(shí)現(xiàn)雙足行走的仿人機(jī)器人“WABOT-1”誕生了。雖然只是短短幾步，但它的確可以雙腳行走。從那時(shí)起，無數(shù)科學(xué)家和研究人員投身于仿人機(jī)器人的研究中，通過各方努力，曾經(jīng)只能步履蹣跚地前進(jìn)幾步之遙的機(jī)器人技術(shù)得到了長足的發(fā)展。近年來，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主避開障礙物或奔跑的水平。
在人機(jī)交互領(lǐng)域，仿人機(jī)器人的功能也在不斷改進(jìn)。一些最新的類人機(jī)器人，例如日本軟銀的“胡椒”和中國香港的漢森機(jī)器人“索菲婭”配備了攝像頭和音頻識(shí)別程序，可以在交流中識(shí)別人類的面部表情和聲音，然后通過人工智能算法對(duì)這些信息進(jìn)行分析，從而使之與人類自然對(duì)話，甚至可以表達(dá)一些簡單的情緒。
韓國首個(gè)仿人機(jī)器人Hubo，作為新聞主播亮相，為人們播報(bào)新聞（來源：韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST））。
韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）研發(fā)的“Hubo”系列是最早也最具代表性的仿人機(jī)器人之一。2015年，在美國國防部高等研究計(jì)劃署機(jī)器人挑戰(zhàn)賽（DARPA Robotics Challenge，簡稱DRC）上，Hubo力壓其他世界領(lǐng)先的仿人機(jī)器人，奪得冠軍，向全世界展示了韓國高水平的機(jī)器人技術(shù)。此后，Hubo作為2018年韓國平昌冬奧會(huì)火炬接力手之一，再次成為熱門話題。今年，它作為新聞主持人出現(xiàn)在大田廣播公司（TJB）。
仿人機(jī)器人的市場(chǎng)前景同樣一片光明。市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)“Report & Report”的調(diào)查顯示，2023年仿人機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將增長至39億美元。1另一家名為“Mordor Intelligence”的市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)也預(yù)測(cè)，2024年相關(guān)市場(chǎng)規(guī)模將增長至大約33億美元。
當(dāng)然，仿人機(jī)器人相關(guān)技術(shù)要達(dá)到商業(yè)化階段，并廣泛用于我們的日常生活尚需要一段時(shí)間。因?yàn)槟壳暗目萍妓竭€需要克服許多挑戰(zhàn)。例如，由于電池的緣故，目前仿人機(jī)器人的運(yùn)行時(shí)間和空間較為有限，與人類相比，人工智能水平尚有不足。這使得大多數(shù)仿人機(jī)器人看起來更像一臺(tái)機(jī)器而非真人。此外，在數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理方面，它們大多采用與外部云在線連接的方法，而不是利用存儲(chǔ)于其自身的數(shù)據(jù)。這表明，仿人機(jī)器人在穩(wěn)定性方面，尚未達(dá)到足以應(yīng)付人類日常生活中無數(shù)變數(shù)的程度。

未來仿人機(jī)器人的外觀——與人類皮膚觸感和外觀相同的“電子皮膚”


要讓機(jī)器人看起來與人類更為相像，讓它們擁有從顏色、形狀到觸感等各方面都與人類皮膚相似的“電子皮膚”（e-skin）是必不可少的。過去，電子皮膚領(lǐng)域的研究和開發(fā)一直專注于醫(yī)療用途，而并非應(yīng)用于機(jī)器人。
對(duì)電子皮膚的正式研究始于2000年初。早期，人們對(duì)電子皮膚的研究主要是以由硅材料制成的強(qiáng)化傳感器形式，但這不足以再現(xiàn)人類皮膚的柔韌性。后來，隨著含碳化合物如石墨烯的有機(jī)材料的發(fā)展，人們對(duì)電子皮膚的研究開始加速。石墨烯得益于其極高熱導(dǎo)率和優(yōu)良的電子遷移率特性，以及材料的透明度和柔韌性，尤其被視為制作電子皮膚的最佳材料。從那時(shí)起，全球各地的研究人員付諸了大量努力，在過去的三到四年里，相關(guān)的研究成果也呈現(xiàn)井噴之勢(shì)。
2017年，格拉斯哥大學(xué)工程學(xué)院的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)推出了一種利用太陽能的石墨烯電子皮膚，這種電子皮膚外表面柔軟，能夠通過嵌入式電子芯片感知外部刺激。研究小組制作了一種類似皮膚觸覺感受器的傳感器，將其植入電子皮膚，并且成功實(shí)現(xiàn)了吸收太陽能并將其轉(zhuǎn)化為電能的功能。
2018年2月，由肖建良（音）教授和張煒教（音）授領(lǐng)導(dǎo)的科羅拉多大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)推出了一種在受損時(shí)可自行修復(fù)的電子皮膚。研究小組制造這種電子皮膚采用的主要材料是“聚亞胺”，聚亞胺是一種高分子化合物，在刮擦的情況下，通過重復(fù)碳和氮的雙鍵聚合即可輕松恢復(fù)原樣。此外，為了提升穩(wěn)定性和強(qiáng)度，研究小組還在材料中添加了銀納米粒子。
模擬觸覺疼痛信號(hào)生成過程，以及基于信號(hào)處理生成人造疼痛信號(hào)的人造傳感器示意圖（來源：韓國大邱慶北科學(xué)技術(shù)院（ Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology， 簡稱DGIST））
在電子皮膚領(lǐng)域，韓國科學(xué)家表現(xiàn)出了卓越的競爭力。例如，2019年7月，由大邱慶北科學(xué)技術(shù)院信息與通信工程系Jae-eun Jang教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)與大腦和認(rèn)知科學(xué)系Cheil Moon教授，信息與通信工程系Ji-woong Choi教授和機(jī)器人工程系Hongsoo Choi教授分別領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)攜手進(jìn)行聯(lián)合研究，開發(fā)出一種可以像人類一樣感知疼痛和溫度的觸覺傳感器。特別一提的是，能夠感知疼痛的傳感器的成功開發(fā)意味著在仿人機(jī)器人的開發(fā)過程中，研究人員掌握了控制機(jī)器人攻擊性的手段。
可以讀取物體表面信息的超高靈敏度透明顯示器（靈敏度比之前的顯示器高20倍）
（來源：韓國電子通信研究院（ETRI）現(xiàn)實(shí)設(shè)備源研究部柔性電子設(shè)備實(shí)驗(yàn)室）
韓國科研人員在今年同樣取得了令人矚目的相關(guān)研究成果。今年2月，韓國電子通信研究院（Electronics and Telecommunications Research Institute, 簡稱 ETRI）現(xiàn)實(shí)設(shè)備源研究部，首爾國立大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系和軟機(jī)器人研究中心（Department of Computer Science and Engineering and Soft Robotics Research Center of Seoul National University, 簡稱 SRRC）的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種超高靈敏度透明壓力傳感器，該傳感器可以檢測(cè)細(xì)微的壓力變化，并識(shí)別壓力作用對(duì)象表面的三維信息。
由于電子皮膚領(lǐng)域最近才涌現(xiàn)出一些有意義的研究成果，并且這些研究成果集中于學(xué)術(shù)領(lǐng)域，因此企業(yè)的商業(yè)化尚需要時(shí)間。不過，市場(chǎng)專家指出，電子皮膚市場(chǎng)擁有巨大的增長潛力。全球市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)“市場(chǎng)報(bào)告”預(yù)測(cè)，2019年至2024年，相關(guān)市場(chǎng)規(guī)模的復(fù)合年增長率（CAGR）將達(dá)17.2%。

未來仿人機(jī)器人的大腦——挑戰(zhàn)人腦的“神經(jīng)形態(tài)計(jì)算”


仿人機(jī)器人發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)有哪些？答案或許各不相同，但人工智能（AI）技術(shù)絕對(duì)擁有一席之地。這是因?yàn)榉氯藱C(jī)器人需要能夠像人類一樣擁有識(shí)別、思考和判斷的能力，才能在行為和外觀上接近人類。
在目前的馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)4下，借助一臺(tái)大型超級(jí)計(jì)算機(jī)人工智能系統(tǒng)或許可以實(shí)現(xiàn)；然而，在一個(gè)外觀酷似人類的小型仿人機(jī)器人上加載人工智能系統(tǒng)仍有局限。這是因?yàn)?，雖然基于當(dāng)前“深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNNs）5”的人工智能算法已經(jīng)證明，在完成人類復(fù)雜的認(rèn)知任務(wù)時(shí)，仿人機(jī)器人的表現(xiàn)與人類相當(dāng)，甚至更勝一籌，但計(jì)算系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)這些算法的能量效率與人腦相比，仍有顯著差距6。
此外，由于馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)由執(zhí)行計(jì)算的中央處理器（CPU）和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器構(gòu)成，因此在處理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的過程中CPU和存儲(chǔ)器之間會(huì)出現(xiàn)瓶頸。盡管人們正在努力提高機(jī)器學(xué)習(xí)的效率7，但在摩爾定律8的限制下，半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新已經(jīng)接近極限。因此，使用現(xiàn)有方法預(yù)計(jì)無法顯著改善計(jì)算系統(tǒng)的性能和功效。
因此，科研人員正在研究“神經(jīng)形態(tài)計(jì)算法”，通過開發(fā)模仿人腦中信息處理方式的半導(dǎo)體來克服這一局限。在人腦中，神經(jīng)元和突觸處于平行結(jié)構(gòu)中，因此不必?fù)?dān)心瓶頸問題。在此基礎(chǔ)上，科研人員嘗試開發(fā)一種由多個(gè)“核心”組成的神經(jīng)形態(tài)半導(dǎo)體，其中包括在硅材料上裝置晶體管和存儲(chǔ)器在內(nèi)的若干電子元件。
核心的部分設(shè)備扮演神經(jīng)元的角色，即大腦中的神經(jīng)細(xì)胞，存儲(chǔ)芯片好比連接神經(jīng)元的突觸。如果能將它們像人腦中的平行結(jié)構(gòu)一樣組織起來，處理大量數(shù)據(jù)所需的能量就會(huì)大大減少。此外，由于可以像人腦一樣學(xué)習(xí)和運(yùn)作，該半導(dǎo)體可以高效地處理復(fù)雜的計(jì)算和推理。這離真正意義上具備自我學(xué)習(xí)和思考能力的人工智能更近了一步。
英特爾被公認(rèn)為神經(jīng)形態(tài)半導(dǎo)體開發(fā)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。繼去年英特爾推出其名為“LOIHI”的神經(jīng)形態(tài)半導(dǎo)體之后，該公司又在此基礎(chǔ)上推出了最新的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算系統(tǒng)“Pohoiki Springs”。ROIHI是一種擁有13萬個(gè)神經(jīng)元的神經(jīng)形態(tài)半導(dǎo)體，與傳統(tǒng)方法相比，處理速度快1千倍，工作效率高1萬倍。Pohoiki Springs整合了768個(gè)LOIHI芯片，大約有1億個(gè)神經(jīng)元，其智能水平相當(dāng)于一個(gè)小型哺乳動(dòng)物的大腦。
此外，英特爾還與美國康奈爾大學(xué)的一個(gè)研究小組聯(lián)合開發(fā)了一種實(shí)現(xiàn)動(dòng)物嗅覺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)算法，從而建立了自己的計(jì)算系統(tǒng)。今年7月，該公司還與新加坡國立大學(xué)的一個(gè)研究小組一起成功地實(shí)現(xiàn)了視覺和觸覺功能。這些成果意味著人類的五種感官正逐一得到實(shí)現(xiàn)，離為人工智能系統(tǒng)配備簡單的計(jì)算功能更進(jìn)一步。
隨著這些研究的進(jìn)展，在不久的將來，人工智能系統(tǒng)有望成為仿人機(jī)器人的“大腦”。

未來仿人機(jī)器人的存儲(chǔ)功能——“DNA存儲(chǔ)器”能夠在1立方毫米內(nèi)存儲(chǔ)10億GB的數(shù)據(jù)

人類在生活中需要多少信息很難估計(jì)，準(zhǔn)確估計(jì)仿人機(jī)器人需要多大的數(shù)據(jù)量才能像人類一樣生活同樣并非易事。盡管如此，由于仿人技術(shù)是一種集成了人工智能、大數(shù)據(jù)和機(jī)器人技術(shù)等先進(jìn)未來科技的技術(shù)，要讓其變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，就需要能夠存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)設(shè)備。
考慮到實(shí)現(xiàn)人工智能所需的數(shù)據(jù)量，僅使用當(dāng)前基于與非（NAND）閃存的硬盤驅(qū)動(dòng)器（Hard Disk Drive， 簡稱 HDD）或大容量固態(tài)驅(qū)動(dòng)器（Solid-State Drives，簡稱 SSD）預(yù)計(jì)難以容納驅(qū)動(dòng)仿人機(jī)器人所需的所有數(shù)據(jù)。因此，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在單獨(dú)的數(shù)據(jù)中心或云中并將其與網(wǎng)絡(luò)連接的方法前景可觀。然而，考慮到諸如發(fā)生災(zāi)害導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)連接中斷等情況，機(jī)器人有可能發(fā)生故障，從而引發(fā)人們對(duì)其穩(wěn)定性的擔(dān)憂。因此，仿人機(jī)器人更有可能裝備采用未來創(chuàng)新半導(dǎo)體技術(shù)的新一代存儲(chǔ)設(shè)備，而不是當(dāng)今的存儲(chǔ)設(shè)備。
最具前景的方案是“DNA存儲(chǔ)器”。在新一代記憶技術(shù)中，DNA存儲(chǔ)器引起人們關(guān)注的原因很簡單。這是因?yàn)镈NA的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度比地球上任何其他材料都要高。理論上，每立方毫米的DNA可以存儲(chǔ)大約10億GB的數(shù)據(jù)。而且，作為遺傳信息的儲(chǔ)存方式，DNA的儲(chǔ)存期是半永久的。
實(shí)現(xiàn)DNA存儲(chǔ)器的關(guān)鍵是在現(xiàn)有的0和1的二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)基礎(chǔ)上，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）四種堿基的DNA序列。
在這四種堿基中，A的結(jié)構(gòu)可與T互補(bǔ)結(jié)合、G的結(jié)構(gòu)可與C互補(bǔ)結(jié)合，因此將A和T的組合以及C和G的組合分別設(shè)置為0和1，這樣0和1的數(shù)字信息可以編碼為DNA堿基序列。像這樣編碼的DNA堿基序列既可以在機(jī)器中通過DNA合成人工生成，也可以封裝儲(chǔ)存。讀取數(shù)據(jù)的過程則正好相反。首先，取出膠囊（釋放DNA），然后用DNA解碼裝置讀取DNA序列（測(cè)序）。當(dāng)以這種方式讀取的序列被轉(zhuǎn)譯回0和1時(shí)，讀取數(shù)據(jù)可以完全還原為原始數(shù)據(jù)。10

哈佛大學(xué)喬治·丘奇（George Church）教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組首次成功用人造DNA模擬出生物DNA結(jié)構(gòu)。2012年，該團(tuán)隊(duì)用化學(xué)聚合物制造出人造DNA，并設(shè)計(jì)了一種將A和C表示為0，G和T表示為1的方法，用于存儲(chǔ)二進(jìn)制數(shù)據(jù)。之后，研究小組將需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成人造DNA，并將其排列在一片微型芯片上，開發(fā)出第一個(gè)DNA存儲(chǔ)器。
在這一技術(shù)領(lǐng)域，微軟、英特爾和美光科技在企業(yè)中居于第一梯隊(duì)，而微軟在這一梯隊(duì)中保持領(lǐng)先。去年，微軟推出了一個(gè)可以自動(dòng)將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換成基因代碼，并恢復(fù)至原始信息的系統(tǒng)。盡管僅僅存儲(chǔ)和重新讀取5字節(jié)的數(shù)據(jù)就需要21個(gè)小時(shí)，但因?yàn)槠渥詣?dòng)化系統(tǒng)利用DNA半導(dǎo)體進(jìn)行讀寫，該系統(tǒng)被認(rèn)為是朝著商業(yè)化邁進(jìn)的關(guān)鍵一步。

如上所述，全球前沿研究人員正在繼續(xù)深入研究，近期，各國政府主導(dǎo)的項(xiàng)目也已啟動(dòng)。因此，“DNA存儲(chǔ)器”有望在不久的將來實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。同樣，在韓國，科技和信息通信技術(shù)部（Ministry of Science aand ICT,簡稱 MSIT）也將“DNA存儲(chǔ)器開發(fā)”作為“顛覆性創(chuàng)新項(xiàng)目”列為國家項(xiàng)目。此外，美國情報(bào)高級(jí)研究計(jì)劃局（Intelligence Advanced Research Projects Activity, 簡稱 IARPA）組建了DNA存儲(chǔ)器開發(fā)聯(lián)盟，僅今年投資就達(dá)4800萬美元。如果未來存儲(chǔ)技術(shù)的開發(fā)工作能夠迅速達(dá)到預(yù)期成果，那么仿人機(jī)器人有望比預(yù)期更早地實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

轉(zhuǎn)自：skhynix官網(wǎng)

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