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  • 能將機器人從工業做進千家萬戶的,或將打造這個時代的下一個蘋果公司!

      在尋找協作機器人后下一個現象級應用程序時,其實機器人公司應該去關注計算機的驚人發展歷史,在蘋果公司已經市值1.07萬億美元的今天,或許這些計算機巨頭的發展路途能夠給機器人從業者們啟示,或許能得到下一步發展的方向和結論。

      自主機器人正在緩慢地出現,我們已經有了自動吸塵器,自動割草機,閃爍和眨眼的玩具,以及(也許)即將推出的自動駕駛汽車,然而,一代又一代,我們一直在等待電影和電視節目中眾所周知的機器人。但與之相反,企業做出來的機器人卻似乎與能夠使用通用的,以人體解剖學為靈感,以硬件來執行各種任務的機器人,兩者距離越來越遠。


     
      盡管諸如Willow Garage的PR2或Rethink Robotics的Baxter之類的這些公司曾做出我們一直在尋找的、和生活更貼近的機器人模型,但他們核心的東西目前已經消失在歷史的長河。隨著機器人公司伴隨著越來越大的業務風險與技術風險,建立與把控一家也開始變得特別困難。目前機器人行業的趨勢從銷售機器人也開始擴展到銷售實際服務,例如修剪草坪,提供出租車,履行零售訂單或按磅采摘草莓。不幸的是,對于周邊開發商和軟件自主編程愛好者來說,這類商業模型強調的是專用于某類場景的專用硬件,這些硬件或許針對一項非常特定的任務進行了優化,但并沒有對打造通用(個人)機器人平臺有所幫助。

      實際上,我們在個人計算機(PC)行業中看到了與機器人行業非常相似的東西。在1950年代,即使計算機可以像整個房間一樣大,并且只供少數選定的人使用,但公眾已經對計算機的外觀有了很好的了解,很多相關文章講述了一個虛構的電腦對生活的改變,這種文章開始在那段時間填充了人們的主流娛樂方式。在1962年紐約時報發表了標題文章“ 掌上電腦來代替購物清單,” 有遠見的科學家約翰·莫齊利就表示,“沒有理由假定只能是科學家才是個人計算機的主人。”1968年,道格拉斯·恩格爾巴特(Douglas Engelbart)給了我們展示了“ 所有PPT的原型 ”,在圖形屏幕和用鼠標瀏覽超文本,以及僅幾十年后才成為電腦標配的一些其他想法。

      既然我們都了解所有這些計算機發展的軌跡,那么研究一下真正能使計算革命真正起作用的因素,用于了解機器人技術的真正作用,以及下一步要做的事情,這篇文章可能會對未來的機器人行業從業者們有所幫助!

      計算機與機器人之間的相似之處

      在1970年代,大型機將被新興的微型計算機,即冰箱大小的設備所取代,其價格不到25,000美元(約合2019年的165,000美元)。這些計算機沒有使用命令輸入,但是可以在Fortran和BASIC中編程,從而大大簡化了創建其潛在應用程序的難度,然而,人們當時也尚不清楚,在需要快速,高效處理大量數據的應用中,微型計算機是否能夠取代大型主機,更不用說進入每個客廳了。這與現在的機器人行業非常相似,大型工廠工業機器人(大型機)自1960年代就已經存在,但只有在越來越多的協作機器人行業才開始看到競爭。這些協作機器人可以安全地在人類旁邊工作,并且易于安裝和編程(微型計算機)。但與上世紀70年代一樣,這些設備的系統價格可與豪華車媲美,而且很難看到它們將如何成為消費產品。

      通用機器人系統由于類似的原因而沒有成功,因為通用計算機(也稱為“個人機”)花了數十年的時間才出現。大型機是為每種應用程序定制的,而打字機變得越來越智能,這之間并沒有真正為通用計算機留出空間。的確,考慮到硬件成本和當今自動機器人相對較少的功能,相對于改造協作移動機械手讓其更智能的方法,開發專用機器幾乎總是更快捷。

      但是,就像在計算機行業一樣,更多的行業追隨者正帶來新的改變。機器人行業成功的體系結構正在迅速被更多人克隆,從而去降低了價格,而關于如何構造或編程機械臂的全新方法正在不斷涌現。例如機械手臂制造商也加入到了AGV,機器人抓手和傳感器制造商的行列。一個明顯案例是電子商務雜貨店的出現。當前的趨勢是將實體商店中未充分利用的部分留給電商配送中心,該中心通過自動檢索系統和(人工)揀選機將貨物裝在小箱子中。


     
      許多創業公司如Alert Innovation,Fabric,Ocado Technology,TakeOff Technologies和Tompkins Robotics都在這樣子做,他們這些新興企業大多最近已經籌集了數億美元的風險投資,以建立相當于大型機的AGV機器人處理中心,這與傳統的機械手揀選器形成鮮明對比。但后者會穿過過道進行補貨并從貨架上揀選,這樣的機器人店員其實更接近我們對通用機器人的愿景,但將需要大量自身副本,使擁擠的過道才能像微型倉庫一樣每小時生產數百個訂單。盡管AGV最終效率更高,但是零售業的利潤率已經很低,因此該行業不太可能產生技術上的飛躍。

      但計算機行業,大型機卻從底部受到了致命攻擊。對新數字技術的迷戀導致了計算機愛好者運動,他們創造了通過郵購或在RadioShack出售的微型計算機,最初,許多小型企業通常以成套工具和木制外殼的形式購入數十臺(最多數百臺)設備,這種趨勢最終形成 1977三位一體:即Apple II,Commodore PET和Tandy TRS-80的形式。完整的計算機的價格在2500美元(TRS)到5000美元(蘋果)之間(以今天的美元計算)。這些計算機的主要應用是它們的可編程性(用BASIC語言編寫),這使消費者能夠“學習繪制生物節律,平衡支票賬戶,甚至控制家庭環境”,這是蘋果公司的原始廣告。廣告打出后,仿造者迅速出現,其中不乏大量可以探索技術不同方面的小工具,例如移動性,操縱性和娛樂性功能迅速被開發。


     
      就像剛起步的個人計算行業一樣,廣告功能充其量只是真實交易的模型。如今,娛樂機器人技術的一個里程碑是最初索尼公司的Aibo,這是一種機器狗,其廣告宣傳中,機器人如一條真狗具有許多特性,例如發展自己的個性,玩玩具以及與主人互動。該平臺于1999年發布,并于2018年重新推出,在喜歡其可編程性的愛好者和學者中吸引了很多追隨者,但可能只有極少數消費者用戶接受該設備作為寵物的替代品。

      除此之外機器人行業也應該還存在不少做“自行組裝機械臂”工具包的公司。uArm?是比較成功的例子之一,它的售價約為800美元,并做廣告表示機器人能做取放,組裝,3D打印,激光雕刻以及聽起來像是高價值應用的許多其他事情。他們的宣傳片中介紹了使用機器人能在受限的環境中執行操作,這個引人入勝的視頻使得他們已經成功進行了兩次眾籌活動,并將機器人確立為成功的教育工具。

      最后,應該存在一種平臺,使業余程序員可以探索移動性。例如以構建用于可以在家中巡邏,交付物品或向其用戶提供例如《迷霧II》里能遠程監控能力的機器人。但就像原始的Apple II一樣,硬件價格與可用應用程序的逼真度之間仍然存在脫節。

      但對于計算機來說,隨著1979年第一個電子表格軟件visicalc的發明,這種脫節開始消失。visicalc在1979年從哈佛大學(harvard)誕生,并促使許多人購買一臺完整的微型計算機來運行這個程序。visicalc很快獲得wordstar(一種文字處理應用程序)的加入,以今天的美元計算,它的售價接近2000美元。Wordstar也吸引了很多人購買整個硬件,只是為了使用這個軟件。這兩個程序是被稱為“現象級應用程序”的早期例子。


     
      隨著工廠自動化的成熟,機器人與小型機一樣,開始貼上能夠帶動周邊和低價格的標簽 ,它們能自動執行許多日常操作任務,機器人產業目前很像是1973年的PC行業。PC行業1979年時,當第一臺帶有圖形用戶界面,鼠標和特殊軟件的計算機施樂Alto發布后,5000美元以下類別的微型計算機開始嶄露頭角并迅速起飛,進入到千家萬戶,機器人行業的周邊卻遲遲沒有出現。

      現象級應用

      那么,機器人技術要像計算機一樣繼續發展需要什么呢?一款現象級應用!機器人現象級應用怎么才會出現?市場其實本身已經做好了提煉可能的現象級應用程序的工作。風險投資家和客戶都在推動那些有著崇高目標的公司,并將其產品縮減為簡單的價值主張(定位)。但結果是,很多原本始于相反兩端理念的公司通常會殊途同歸,提供彼此非常相似的鏡像,最后做到一類產品上去,例如他們無論起點在哪,都會最后提供自主AGV,(箱)揀選,碼垛,卸垛或分揀解決方案,以便完成銷售。但好在這些公司中的每一個通常都為單個垂直行業提供單個應用程序,例如,垃圾箱收集衣服,運輸倉庫貨物或按磅摘草莓,他們試圖證明自己的特定技術有效,而不是非主流。

      但這些公司很少真正起飛。一個例子是 Kiva Systems,它最終變成了Amazon的物流機器人部門。和其他公司一樣,Kiva想要圍繞著以用戶需求出發,但是,由于這些解決方案非常專業,因此它們不可能產生任何規模的經濟規模,而規模經濟卻無法像早期的計算機用戶(為昂貴的小型計算機購買電子表格和文字處理器應用程序)所享受的那樣。其實因此正確的解決辦法應該是使這些機器人解決方案變得可堆疊,將這三種技能可以結合起來,對整個過程進行建模,而不僅僅是用相同的硬件來完成揀箱、碼垛和運輸的同質化競爭。

      簡單的機電一體化設備的組裝是初創企業很少解決的一項技能,而歷史上一直屬于大型機技術的機器人擁有。組裝機電部件的能力等同于其他任務,例如更換燈泡,更換遙控器中的電池或對諸如杠桿式意式咖啡機之類的機器進行保養。這些任務將涉及使用一臺機器自動執行完整工作流程的情況,最終導致所有部門工業生產率的爆炸式增長。例如,從垃圾箱中撿起一件物品,將其放在機器人上,將其移動到其他地方,然后將其放入架子或機器中,這一過程同樣適用于制造環境,零售商店或某人的廚房,如果能有這些細節性的場景創新,將會對機器人應用場景帶來消費和工業市場的根本性變革。

    圖片:西門子機器學習挑戰賽的自主組裝

      盡管上面說的許多應用軟件程序已經成為可能,但是如果沒有附加的周邊組件來提供他們自己的“現象級應用程序”價值,仍然很難讓一個平臺起步。有趣的例子是Rethink Robotics或Robot Operating System(ROS)。Rethink Robotics的Baxter和Sawyer Robots開創了一個偉大的用戶體驗(比如1973年的施樂Alto,真正的第一臺PC),但它的應用很難擴展到簡單的揀選和放置、碼垛和卸件上去,因此盈利成了很麻煩的問題。

      ROS則率先開發了進程間通信軟件,該軟件可以適應機器人的需求(多臺計算機,不同的編程語言)以及機器人技術中軟件模塊化的思想,但是由于缺乏通用的硬件平臺,因此尚未交付單個應用程序,例如用于導航,路徑規劃或抓取,其性能超出研究級的演示級別,一旦開發人員轉向生產系統,也不會被丟棄。同時,越來越多的機器人設備(例如提供智能功能的機器人手臂或3D感知系統)提供了無需中間計算機即可將它們連接在一起的其他方式,同時保持了實時對他們硬件方面的緊密控制。

      在Robotic Materials Inc.,他們已經取得了長足的發展,以識別一些應用程序,例如垃圾箱揀選和組裝,通過將機器學習和優化與直觀的用戶界面相結合,只需單擊即可配置它們。在這里,用戶可以定義對象類別以及如何使用Web瀏覽器來掌握它們,然后在特定于機器人的圖形編程語言中以一流對象的形式出現。同時也對匯編進行了此操作,從而允許用戶通過簡單地將適當的命令拖放在一起就可以堆疊基于感知的拾取和基于力的匯編原語 。

      雖然這種方法可以回答價格在“微型計算機”范圍內的機器人的現象級應用程序的問題,但尚不清楚如何用低于5000美元的機器人來產生現象級應用程序類型的價值。其可能的答案有兩個:首先,可能是隨著軍工產品低成本化,移動平臺和娛樂設備的不斷改進,最終將出現技術準備和用戶創新的融合,例如Apple II和VisiCalc。例如,將Misty 變成家庭安全系統、將uArm放入低成本的分揀系統中;或類似Aibo的裝置植入自閉癥老人或兒童的治療系統中,這些并不需要太多創新,知識新技術的應用。

      其次,機器人及其部件必須大幅降低成本。事實上,計算機的價格呈指數下降,計算能力呈指數增長,這在很大程度上要歸功于摩爾定律。這一發展也幫助了機器人技術,由于我們能夠實時處理大量圖像和深度數據,因此使我們能夠在移動性和操縱性方面取得突破,我們可以預見到它繼續這樣做。

      機器人有摩爾定律嗎?

      然而,人們可能會問,對于整個機器人行業(包括其所有電機和齒輪)而言,如何可能具有類似的動力學特性,以及機器人行業的“摩爾定律”會是什么樣的?在這里,我們要記住摩爾定律其實不是原因,而是PC革命的結果。事實上,是因為第一個用于記錄,編輯和游戲的首批現象級應用程序如此出色,以至于釋放了巨大的消費者需求,一遍又一遍地超越了人們認為在物理上可行的基準。(我們清楚地記得,在DSL出現之前,56Kbps是銅質電話線的絕對最大數據速率。)

      汽車工業更是深刻地證明了這些規模經濟也適用于機電一體化。2020 Prius Prime是一個很好的例子,這是一種高度計算機化的插電式混合動力車,其價格非常低,而復雜程度卻更高,可使用電動機,內燃機,以及各種傳感器和計算機,它直接引爆了消費級市場。因此,一旦機器人技術在大眾市場上具有類似的吸引力,就很可能生產出一種零售價格僅為現代汽車十分之一的移動機械手。鑒于這些機器人是方程式的一部分,其實可以積極地降低生產成本,因此這可能會以工業化歷史上前所未有的速度發生。


     
      還有一種驅動程序可以使機器人的功能成倍增長:云。通用機器人一旦學習了新技能或對其進行了編程,便可以與其他所有機器人共享它。在某個時候,買了機器人的雜貨店可能會讓它已經知道如何識別和處理商店中99%的零售商品,這就打開了很多市場。同樣,制造商可以假設機器人可以處理和搬運某個人類可以買到的所有物品,又比如很多家庭可以期望機器人知道宜家和陶器谷倉出售的每一種廚房用品。聽起來像是一個勞動密集型的問題,但比起用汽車,三輪車和雪地摩托等車輛為Google街景視圖收集鏡頭,它可能更易于管理,只是一個隱私的問題。

      機器人消費級市場的啟動策略

      當我們等待更好的應用程序和成本不斷降低的硬件融合時,還必須繼續探索除移動性,例如垃圾箱揀選,碼垛,卸垛和組裝之外的典型機器人應用程序。我們還必須繼續解決根本挑戰,以使這些解決方案真正具有通用性。

      對于這兩個問題,研究對個人計算機的開發至關重要的策略可能會有所幫助,這些策略同樣適用于機器人技術:

      1.從解決客戶的問題開始。不幸的是,客戶的問題幾乎絕不是需要傳感器,小部件或一段代碼,而是用他們已經花費的錢解決問題。

      2.盡可能少地構建自己的硬件。在融資和發展中,機器人公司的業務模型構建價值應該比在硬件上獲得利潤的優勢更強。例如如果人們可以購買一臺計算機并直接應用優勢軟件,那人們為什么還要自己開發打字機呢?

      3.如果要做平臺,請確保它帶有現象級應用程序。僅此一項就可以證明平臺成本合理。示例:微型計算機公司一直再倒閉,直到蘋果“ 1977三位一體機”與現象級應用電子表格和文字處理器相交融,他們才最終打造了一個世界現象級的公司。

      4.使用開放式架構。這將創建一個生態系統,其他人可以競爭創建更好的組件和周邊以及外圍硬件設備,同時允許其他人將公司的解決方案集成到其垂直設備中并與其他設備堆疊。示例:Apple II和IBM PC都是完全開放的體系結構,支持許多克隆,從而擴大了用戶和開發人員的基礎。

      將機器人做到千家萬戶,這是具有世界價值的。隨著大多數業務流程已經數字化,通用機器人將使我們能夠填補移動性和操縱性方面的空白,在僅受可用資源和能源數量限制的水平上提高生產力,這可能會創造一個烏托邦,在其中創造力將成為最終的烏托邦貨幣。也許我們甚至會得到R2-D2。

      原文作者Nikolaus Correll是科羅拉多大學博爾德分校計算機科學副教授,主要研究移動操縱和其他機器人應用。 他是Robotic Materials Inc.的聯合創始人兼首席技術官,該公司由美國國家科學基金會和美國國家標準與技術研究院通過其小型企業創新研究(SBIR)計劃提供支持。
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