未來機器人入門——2：硬體

本系列將未來機器人的突破點分為6個創新領域：機械結構、硬體、電子、軟體、連通性、控制。將依次介紹這6個類別，並以此預測未來20年的發展。

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入門2：硬體

在機器人技術發展的分類中，硬體是最難以作出預測的。硬體方面絕對需要重大革新，但我們不能簡單地依據最近的歷史來預測未來硬體革新的速度。在計算機設計中，摩爾定律曾準確地預測出處理器升級的速度——每18個月處理器速率翻一倍。但在硬體技術，比如電池和電機領域卻沒有這種摩爾定律。事實上電池和電機的研究已經枯竭多年，來之不易的研究成果也沒有取得商業應用上的成功。

然而，新的進展已經出現了，而且它們的最終出現也產生了顛覆性的影響。儘管頗具爭議，但本田公司的ASIMO機器人曾被認為是激起公眾對機器人想像力的最上鏡且最具魅力的大型機器人之一，關於它，在機器人研究圈子裡流傳著一個有趣的故事。ASIMO項目中一位領軍的日本人工程師曾做過一次巡迴旅行，在美國的大學展示自己的機器人並含糊其辭地回答一些問題。一次他在毫無準備的情況下坦誠地說道，他們必須克服的一個殺手級問題就是馬達。換句話說，只要他們能夠解決如何製作機器人每個關節的馬達這個問題，相比之下，其餘的人形機器人的開發工作就簡單多了。

馬達技術確實限制了機器人的發展。一部分原因與馬達和生物系統里的關節和肌肉的工作機制截然不同有關。我們人類的關節既輕又極具彈性。每個關節的柔韌度和肌肉的硬度是可以控制的，因此在擊劍運動中，你能夠在招架的同時保持肌肉的放鬆，輕易地將手中的花劍移至側面；或者是在扳腕較量中使胳膊上的肌肉變硬，保持牢固不被扳倒。我們的關節的活動速度也非常快，更不用說蜂鳥和蝴蝶了。

相比之下，以前的電機是笨重、高能耗、僵硬的。如果你給電機增加齒輪箱，便能夠增大輸出扭矩，但同時也降低了轉動速率，而且使輸出軸難以被轉動——不花點力氣你就無法用手扭動機械臂，無法用手轉動齒輪箱的輸出軸。如果你製作小型機械臂時內置輕型電機，即使機械臂和人的胳膊一樣輕，機械臂也完全不可能舉起一個咖啡杯。並且這個任務對於要求能夠在家裡扶老人下床，協助他們去衛生間的機器人就太過簡單了，機器人要完成這些動作必須同時具備柔韌性、彈性以及相當大的力度。

有一段時間，很多人認為機器人馬達的未來應該是像人的肌肉那樣工作的系統，鎳鈦合金金屬肌肉纖維技術被譽為下一個革命性的進步。這種金屬纖維能夠隨著電流變化而伸展收縮，人們設計了巧妙的裝置來使多簇同類的纖維平行工作用來負重，以及將其活動範圍從幾毫米擴展至幾厘米以及更長距離。然而，整體能源效率和疲勞度方面的挑戰將這種金屬肌肉纖維的應用縮小局限在某些領域，譬如醫療機器人領域。在這個領域，嚴格受控的環境可令其工作地非常理想。

儘管如此，最近新型馬達的設計工作在高動態、可控馬達方面已經有所成就。研究者們正在開發一種將電機和可調節彈簧整合起來的關節，這一整套的系統能夠能精巧地應對外來衝擊力。更為精巧的馬達已經具備了內置的壓力感知，而且它能夠實現極為快速的控制，馬達的電子器件能感知作用在馬達上的外部壓力並對這些壓力做出實時反應以輸出任意期望的剛度和韌度。總有一天，這將使機器手能夠與人進行有力而又安全的握手、摺紙、甚至是在保持蛋黃完整的前提下打破雞蛋。馬達之所以得以進步，其中一個原因是雖然它們本身並不遵循摩爾定律，但卻得益於不斷進步的嵌入式控制電路和軟體，這樣摩爾定律可以通過另一條途徑影響未來馬達技術。

可能會對機器人的發展產生巨大影響的另一類硬體是電池。發明一款革命性的電池已證明是難以做到的，因為它不像計算機晶元設計的那種增量式進步，可以預測其未來數年、數十年的發展，電池的發展依賴於化學和材料合成領域中基礎的、顛覆性的發現。何時會出現這些發現？無人確知。在計算領域，摩爾定律暗示，每18個月處理器的處理速率將翻一倍。相比之下，我們來看電池技術的發展。1860年，我們發明了第一塊鉛酸蓄電池，這款電池的能量密度大約是每千克30瓦時（W?h/kg），即電池內每1千克的物質能夠以30瓦的電力放電1個小時。直到1988年鎳氫電池（NiMH）的出現，能量密度值才翻倍，達到了60W?h/kg。同一台機器，只需要0.5千克的鎳氫電池，就能提供早些年1千克鉛酸蓄電池提供的電力。到了1997年，鋰聚合物電池達到了一個新的能量密度級別，180W?h/kg，但是時至今日，生產鋰聚合物電池的成本仍然比30年前鎳氫電池的生產成本高。現在讓我們小小地震撼一下，用這些數字與汽油相比：13000W?h/kg，幾滴汽油，總重2.5克，就能提供一千克鉛酸蓄電池所能釋放的能量。

簡而言之，這就是電動汽車和小型機器人需要克服的挑戰。再具體一點，假設有一個體重50千克，大小與人相當的可行走機器人，它需要平均350瓦的能源供應。讓這樣一個機器人連續工作6個小時，需要使用70千克的鉛酸蓄電池，鎳氫電池則需35千克，高端鋰電池僅需12千克，而如果是汽油則僅僅需要10大湯勺的量而已。

市場上存在著眾多需要對電池進行改進，同時降低移動產品的能量消耗的商業壓力。得益於平板電腦和智能手機產業的發展，這些領域的商業投資將使得未來的機器人在運算上會消耗更少的能量，並且終將會推出更輕、更便宜的電池。但是請記住，電池生產成本的方程往往由其材料所主導——因此對於價格便宜的小型飛行機器人而言，規模經濟不會必然性地將先進的鋰電池的價格降低到能使其顯著受益的程度。

跟馬達一樣，電池的研究也需要工程師們做出實實在在的創新，從而創造出全新一代的替代品。另一方面，燃料電池和光伏電池也需要有類似的革命性突破。所有的這些技術挑戰主要是阻礙了小型機器人的發展，因為這類機器人需要重量輕但又高能的電力供應。與之形成對比，在未來十年內即使電池技術只是漸進式發展，也足以滿足那些重達數十磅數百磅的大型機器人的需求了。下一代的燃料電池、大容量電池，甚至是汽油引擎，都足夠讓這些大型機器人奔跑、跳躍、遊走於大街小巷。

本文摘錄之我們翻譯的《機器人與未來》（第一財經2015年度特別推薦圖書）

《機器人與未來/機器人探索與實踐系列》([美]I.R.諾巴克什)【摘要 書評 試讀】- 京東圖書

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