從大型主機(jī)到個(gè)人計(jì)算機(jī)：機(jī)器人產(chǎn)業(yè)可以從pc普及革命中學(xué)到什么？

1970年代，大型主機(jī)即將被像冰箱那么大的微型計(jì)算機(jī)所取代，其價(jià)格不到25,000美元（相當(dāng)于2019年的165,000美元）。這些計(jì)算機(jī)并不使用打孔卡，但是可以用Fortran和BASIC進(jìn)行編程，從而大大降低了創(chuàng)建應(yīng)用程序的難度。然而，當(dāng)時(shí)人...自主化機(jī)器人已逐漸變得無處不在。自動吸塵器、自動割草機(jī)、會簡單交互的小玩具，以及呼之欲出的自動駕駛汽車，都可以看作是一個(gè)能實(shí)現(xiàn)某種自動功能的機(jī)器人。一輩接著一輩，我們一直在期待出現(xiàn)《星球大戰(zhàn)》中的那種智能機(jī)器人。然而，實(shí)際的情況卻是，那種以人體解剖學(xué)為靈感進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)、能完成各種任務(wù)、滿足“通用”需求的機(jī)器人，卻離我們越來越遠(yuǎn)。諸如Willow Garage的PR2，或者Rethink Robotics的Baxte之類的人形機(jī)器人，是我們一直都在研究的，但事實(shí)上，這類機(jī)器人已經(jīng)一敗涂地了。Willow Garage機(jī)器人創(chuàng)立一家機(jī)器人公司很艱難，既要考慮商業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。目前，業(yè)界整體趨勢是要從銷售一個(gè)機(jī)器人過渡到銷售一種實(shí)際服務(wù)，例如修剪草坪，提供出租車，完成零售訂單或按磅采摘草莓。然而，這顯然無法滿足R2-D2和C-3PO（星球大戰(zhàn)中的機(jī)器人）愛好者們的幻想。上面提到的這種商業(yè)模式強(qiáng)調(diào)的是制造適用于某一項(xiàng)具體任務(wù)的、房間或冰箱大小的專用機(jī)器人，而不是一個(gè)神通廣大、無所不能的通用機(jī)器人。實(shí)際上，我們在個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）行業(yè)中看到了非常相似的發(fā)展趨勢。在1950年代，即使計(jì)算機(jī)可以像整個(gè)房間一樣大，并且只供少數(shù)特定的人使用。不過，公眾對計(jì)算機(jī)的未來充滿幻想。在那段時(shí)間里，對計(jì)算機(jī)的各種虛構(gòu)意象開始進(jìn)入人們的視線。約翰·茂奇利（John Mauchly）在1962年的《紐約時(shí)報(bào)》上，發(fā)表了一篇題為“用掌上電腦取代購物清單” 的文章，非常有遠(yuǎn)見地提出：“將來的小孩一定能玩轉(zhuǎn)個(gè)人計(jì)算機(jī)。”1968年，道格拉斯·恩格爾巴特給出了一個(gè)令人遐想紛紛的演示，包括了在圖形屏幕上瀏覽超文本、運(yùn)用鼠標(biāo)——沒過幾年，這些演示就成為了現(xiàn)實(shí)。由此看來，深入探究計(jì)算機(jī)革命成功的關(guān)鍵要素，可能會幫助我們進(jìn)一步看清機(jī)器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，以及下一步我們應(yīng)該怎么做。計(jì)算機(jī)與機(jī)器人的共性1970年代，大型主機(jī)即將被像冰箱那么大的微型計(jì)算機(jī)所取代，其價(jià)格不到25,000美元（相當(dāng)于2019年的165,000美元）。這些計(jì)算機(jī)并不使用打孔卡，但是可以用Fortran和BASIC進(jìn)行編程，從而大大降低了創(chuàng)建應(yīng)用程序的難度。然而，當(dāng)時(shí)人們并不清楚，在需要快速、高效地處理大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用中，微型計(jì)算機(jī)是否能夠取代大型主機(jī)，更不用說讓微型計(jì)算機(jī)進(jìn)入每個(gè)家庭。這與現(xiàn)在的機(jī)器人行業(yè)非常相似。1960年代興起的大型工廠機(jī)器人（大型主機(jī)）感受到了如今快速發(fā)展的協(xié)作式機(jī)器人的競爭，這些機(jī)器人可以安全地靠近人類工作，并且可以被簡單地安裝和編程（如同小型計(jì)算機(jī)）。在1970年代，這些數(shù)量非常有限的設(shè)備應(yīng)用價(jià)格可以媲美一輛豪車的系統(tǒng)，并且很難想象它們能成為消費(fèi)產(chǎn)品。但是，就像計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展一樣，一個(gè)成功的體系結(jié)構(gòu)會迅速被克隆，從而降低其價(jià)格。當(dāng)前，各種關(guān)于如何架構(gòu)、編程機(jī)械臂的新方法不斷涌現(xiàn)，機(jī)械臂制造商和自動推車、機(jī)器抓手以及傳感器制造商進(jìn)行了聯(lián)合。這些組件可以搭配在一起，為建設(shè)一個(gè)類似于IBM PC模型、功能強(qiáng)大、盡可能依賴通用模塊開放式架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)通用平臺鋪平了道路。鑒于通用計(jì)算機(jī)（也稱為“個(gè)人計(jì)算機(jī)”）花了數(shù)十年的時(shí)間才出現(xiàn)，通用機(jī)器人系統(tǒng)也因?yàn)轭愃频脑蚨鴷何闯晒Α４笮椭鳈C(jī)是為每種應(yīng)用程序定制的。就好比盡管打字機(jī)越來越智能化，但卻并不能直接整合到通用計(jì)算機(jī)上。事實(shí)上，考慮到當(dāng)前自主機(jī)器人的硬件成本及其相對較少的功能，比起讓一個(gè)協(xié)作式移動機(jī)械手智能化，還不如直接建造一個(gè)專用的機(jī)器。一個(gè)現(xiàn)實(shí)的例子是電子商務(wù)中的商品倉庫。當(dāng)前的趨勢是在實(shí)體商店中預(yù)留一部分空間給一個(gè)微型的倉庫中心，該中心通過自動檢索系統(tǒng)和（人工）揀選機(jī)將貨物裝在小箱子中。很多創(chuàng)業(yè)公司如Alert Innovation，Ocado Technology，TakeOff Technologies和Tompkins Robotics等最近籌集了數(shù)億美元的風(fēng)險(xiǎn)投資，以建造等同于機(jī)器人倉庫中心的大型主機(jī)。這個(gè)功能與機(jī)械揀選器是相反的，后者可以穿過走廊，把物品從貨架上挑選，進(jìn)行補(bǔ)貨。這樣的一個(gè)機(jī)器人倉庫管理員將非常接近我們對通用機(jī)器人的愿景，但我們需要大量這樣的機(jī)器人，才能像真正的小型倉庫一樣每小時(shí)執(zhí)行數(shù)百個(gè)命令。由于零售業(yè)的利潤率已經(jīng)很低，因此即使再有效，該行業(yè)也不太可能產(chǎn)生我們所需要的技術(shù)上的飛躍，制造出配備C-3PO的機(jī)器人。大型主機(jī)也會從另一方面受到挑戰(zhàn)。對新數(shù)字技術(shù)的迷戀引領(lǐng)了一場愛好者運(yùn)動，他們自己創(chuàng)造微型計(jì)算機(jī)，并通過郵寄訂單或在RadioShack進(jìn)行銷售。最初，許多小型企業(yè)通常以成套木制外殼的形式出售數(shù)十臺，最多數(shù)百臺設(shè)備。這種趨勢在出現(xiàn)以Apple II，Commodore PET和Tandy TRS-80為代表的“ 1977 Trinity”時(shí)，達(dá)到巔峰。這些完整的計(jì)算機(jī)的售價(jià)在今天的2500美元（TRS）到5000美元（Apple）之間。這些計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用是它們的可編程性（基于BASIC），能夠幫助消費(fèi)者“學(xué)習(xí)繪制生物節(jié)律，平衡支票賬戶，甚至控制家庭環(huán)境”。同樣地，還有很多小工具可以探索機(jī)器人技術(shù)的不同方面，例如移動性，操縱性和娛樂性。就像剛起步的個(gè)人計(jì)算行業(yè)一樣，廣告功能充其量只是真實(shí)交易的模型。如今，娛樂機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)里程碑是最初的索尼公司的Aibo。這是一款機(jī)器狗，被宣傳具有真正的狗的許多特性，如有自己的性格，會玩玩具以及與主人進(jìn)行互動。該款產(chǎn)品于1999年發(fā)布，并于2018年重新推出，在喜歡其可編程性的愛好者和學(xué)者中，有一群忠誠的粉絲，但可能只有少量用戶能接受它作為寵物替代品。其他還有很多的“自行組裝機(jī)械臂”工具包，如uArm就是一個(gè)比較成功的例子，它的售價(jià)約為800美元，在廣告中，它能做包括取放物體，組裝，3D打印，激光雕刻等其他聽起來非常有價(jià)值的事情。通過非常吸引人眼球的視頻，來展現(xiàn)機(jī)器人能在受限的環(huán)境中執(zhí)行這些操作，已經(jīng)成功舉辦了兩次眾籌活動，并將機(jī)器人確立為一種成功的教育工具。最后，還有一些平臺可以讓編程愛好者探索、建構(gòu)機(jī)器人的移動性，讓它能在房子周圍巡邏、拿東西或者提供網(wǎng)真能力。一個(gè)典型的例子就是Misty II。但就像原始的Apple II一樣，硬件價(jià)格與可應(yīng)用程序的保真度之間仍然存在脫節(jié)。對于計(jì)算機(jī)而言，這種脫節(jié)隨著1979年哈佛的第一個(gè)電子表格軟件VisiCalc的發(fā)明而逐漸消失，并促使許多人購買了一整臺微型計(jì)算機(jī)來運(yùn)行該程序。VisiCalc之后又出現(xiàn)了文字處理應(yīng)用程序WordStar，其售價(jià)以今天的美元成交價(jià)算接近2000美元。WordStar也吸引了許多人購買計(jì)算機(jī)，僅僅只是為了使用該軟件。這兩個(gè)應(yīng)用程序是被稱為“殺手級應(yīng)用”的早期示例。隨著工廠自動化的逐漸成熟，與微型計(jì)算機(jī)同等價(jià)格的機(jī)器人已經(jīng)能夠四處行駛并自動執(zhí)行許多操作任務(wù)。現(xiàn)在的機(jī)器人工業(yè)，就像曾經(jīng)1973-1979年之間的計(jì)算機(jī)工業(yè)：1973年發(fā)布的Xerox Alto是第一個(gè)帶有圖像化用戶界面、鼠標(biāo)和特定軟件的計(jì)算機(jī)，1979年開始微型計(jì)算機(jī)的價(jià)格逐漸跌至5000美元以下。機(jī)器人的“殺手級應(yīng)用”那么，機(jī)器人技術(shù)要怎樣才能像計(jì)算機(jī)一樣不斷地持續(xù)深入發(fā)展呢？市場的需求可以告訴我們“殺手級應(yīng)用”可能是什么樣的。風(fēng)險(xiǎn)投資人和用戶往往會改造那些起初有遠(yuǎn)大目標(biāo)的公司，讓他們只聚焦細(xì)小功能。這些公司通常提供的產(chǎn)品都是非常類似的，如自動推車、取貨、裝貨、卸貨、分揀等解決方案。這些公司一般都是為某個(gè)垂直行業(yè)提供單個(gè)應(yīng)用服務(wù)，如從箱子里拿衣服、運(yùn)送倉庫貨物或者按磅采摘草莓等。他們試圖證明他們的技術(shù)簡單而高效。然而，這些公司很少能夠真正做大。其中一個(gè)例子是Kiva系統(tǒng)，現(xiàn)在成了亞馬遜的后勤機(jī)器人部門。Kiva以及其他一些類似的公司，都是圍繞基于用戶普遍需求的合理價(jià)值進(jìn)行架構(gòu)。但是，由于他們的解決方案過于特定化，因此很難產(chǎn)生大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)效益，無法像早期的計(jì)算機(jī)一樣，用戶會購買昂貴的小型計(jì)算機(jī)來使用電子表格和文字處理應(yīng)用服務(wù)。只有當(dāng)這些功能開始可復(fù)合時(shí)，才能讓機(jī)器人解決方案更加有趣、吸引人。比如，不再單一地使用機(jī)器人從箱子里或拿東西、或裝貨、或運(yùn)輸，而是用同樣的硬件整合三個(gè)技能來重構(gòu)、建模機(jī)器人服務(wù)功能。歷史上，一直是由等同于機(jī)器人的大型主機(jī)來解決簡單的電子機(jī)械設(shè)備組裝問題，但是很少有創(chuàng)業(yè)公司能提供完善的解決方案。事實(shí)上，組裝電子機(jī)械部件，就相當(dāng)于換燈泡、換遙控器中的電池，或者對杠桿式意式咖啡機(jī)中的零部件進(jìn)行保養(yǎng)。這些任務(wù)的自動執(zhí)行，意味著可以使用單個(gè)機(jī)器執(zhí)行一套完整的工作流程，最終大幅提升跨領(lǐng)域工業(yè)生產(chǎn)率。例如，從一個(gè)箱子中拿出一個(gè)物體，將其放在機(jī)器人上，運(yùn)送到別的地方，放置在架子上或者機(jī)器上，這個(gè)完整的流程既適用于制造業(yè)工作環(huán)境，也適用于零售商店，甚至是一個(gè)小小的廚房。盡管上述的很多應(yīng)用都將慢慢成為現(xiàn)實(shí)，但是如果沒有能提供“殺手級應(yīng)用”的功能，我們?nèi)院茈y搭建一個(gè)有價(jià)值的應(yīng)用平臺。Rethink Robotics的Baxter和Sawyer機(jī)器人率先創(chuàng)造了不錯的用戶體驗(yàn)（如1973年的Xerox Alto，事實(shí)意義上的第一臺PC），但是其應(yīng)用也僅限于簡單的拾放、裝貨、卸貨等功能，很難拓展到其他領(lǐng)域。ROS率先開發(fā)了一款進(jìn)程間通信軟件，基于模塊化的思想，可適應(yīng)機(jī)器人應(yīng)用的不同需求（多臺計(jì)算機(jī)，不同的編程語言）。然而，由于缺乏通用的硬件平臺，尚不能實(shí)現(xiàn)單個(gè)的應(yīng)用，比如導(dǎo)航、路徑規(guī)劃或者抓取。這款軟件的性能已超出研究等級水平，并能應(yīng)用于生產(chǎn)環(huán)境。同時(shí)，越來越多的機(jī)器人設(shè)備，如智能化的機(jī)械臂、3D知覺系統(tǒng)等，都可以不再使用計(jì)算機(jī)作為中介進(jìn)行連接，還能實(shí)時(shí)監(jiān)控硬件使用信息。再舉個(gè)栗子。在Robotic Materials，少數(shù)幾個(gè)應(yīng)用程序上已經(jīng)取得了比較大的進(jìn)展，如從箱子中拿出物體并進(jìn)行組裝，只需單擊就結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)和用戶界面優(yōu)化，對這個(gè)功能進(jìn)行配置。在這個(gè)應(yīng)用中，用戶可以定義物品類別、如何使用Web瀏覽器進(jìn)行抓取，然后在特定給機(jī)器人使用的圖像編程語言中以最好的方法進(jìn)行展現(xiàn)。這套流程也被應(yīng)用到了組裝功能上，用戶通過簡單地拖拽命令語句就可以將基于感知的拾取和基于力的組裝功能進(jìn)行配置。雖然這種方法可能可以達(dá)到等同于“小型計(jì)算機(jī)”領(lǐng)域內(nèi)的殺手級應(yīng)用價(jià)值，但我們還不清楚如何通過低于5000美金的機(jī)器人來產(chǎn)生這種效益。解決方案可能有兩種：一是隨著低成本設(shè)備、移動平臺和娛樂設(shè)備的不斷進(jìn)化，最終會出現(xiàn)技術(shù)可行性與用戶創(chuàng)新的匯聚融合，像Apple II和VisiCalc。舉個(gè)例子，將Misty改成家庭安全系統(tǒng)，將uArm應(yīng)用到低成本的拾取系統(tǒng)，將類似于Aibo的裝置放入自閉癥老人或兒童的治療系統(tǒng)中，都是可行的方案。二是機(jī)器人及其組件必須變得非常便宜。根據(jù)摩爾定律，計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力呈指數(shù)級增長，計(jì)算機(jī)的價(jià)格呈指數(shù)級下降。計(jì)算機(jī)的發(fā)展同樣也能促進(jìn)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，得益于對大量的圖像數(shù)據(jù)和深度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理的能力，我們可以在移動性和操作性方面取得突破性進(jìn)展，并且我們認(rèn)為這一現(xiàn)象將繼續(xù)持續(xù)下去。機(jī)器人技術(shù)有摩爾定律嗎？人們可能會問，對于整個(gè)機(jī)器人（包括所有電機(jī)和齒輪）來說，如何具有類似的動力學(xué)特性，機(jī)器人行業(yè)是否也有“摩爾定律”？我們要知道，摩爾定律的持續(xù)性，不是PC革命的原因，而是結(jié)果。計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的第一批殺手級應(yīng)用如統(tǒng)計(jì)、編輯以及小游戲等非常優(yōu)秀，它們釋放了巨大的消費(fèi)者需求，一遍又一遍地突破了常識中的自然可行性基準(zhǔn)。我還非常深刻地記著，在DSL出現(xiàn)之前，56kbps是銅電話線的絕對最大速率。汽車工業(yè)的發(fā)展深刻地證明了規(guī)模經(jīng)濟(jì)也適用于電子機(jī)械領(lǐng)域。2020 Prius Prime是一個(gè)很好的例子，這是一款高度計(jì)算機(jī)化的插電式混合動力車，價(jià)格僅為Robotic Materials的GPR-1移動機(jī)械手的三分之一，而運(yùn)行復(fù)雜度卻要高很多，可使用電動機(jī)、內(nèi)燃機(jī)，以及各種傳感器和計(jì)算機(jī)。我們可以想象，一旦機(jī)器人技術(shù)在大眾市場上能具有相類似的吸引力，那就有可能生產(chǎn)出一種零售價(jià)格僅為汽車十分之一的移動機(jī)械臂。鑒于機(jī)器人是現(xiàn)代工業(yè)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以有效地降低生產(chǎn)成本，因此，這種可能性將會以工業(yè)歷史上前所未有的速度發(fā)生。另外，還有一種驅(qū)力，可以讓機(jī)器人的可用性功能成指數(shù)式增長，那就是云計(jì)算。當(dāng)一個(gè)通用的機(jī)器人學(xué)會、或者被賦予了某種新的技能，就能和其他所有的機(jī)器人進(jìn)行共享。在這種情況下，雜貨店可以買到一個(gè)假設(shè)已經(jīng)能區(qū)分和處理店里99%零售商品的機(jī)器人。同樣地，生產(chǎn)商可以假設(shè)機(jī)器人能夠處理和組裝來自McMaster-Carr和Misumi的所有產(chǎn)品。最后，在家庭環(huán)境下，也可以假定機(jī)器人知道每一種宜家和Pottery Barn出售的每一種廚房用品。這聽起來是一個(gè)勞動密集型的問題，但是比起使用汽車、三輪車和雪地摩托來為Google街景收集鏡頭來說，它可能更易于管理。機(jī)器人創(chuàng)業(yè)策略目前，我們還在等待“更好的應(yīng)用程序”、“更低的硬件成本”這兩個(gè)趨勢的融合。但在等待之余，我們也要繼續(xù)探索除移動、拾取、裝貨、卸貨、組裝等典型的機(jī)器人應(yīng)用程序之外的機(jī)器人功能。我們還要解決一些根本性的挑戰(zhàn)，更夠讓這些解決方案更加具有通用性和魯棒性。對于這兩個(gè)問題，研究對個(gè)人計(jì)算機(jī)開發(fā)至關(guān)重要的策略可能會有所幫助，這些策略同樣適用于機(jī)器人技術(shù)：從解決客戶的問題開始。不幸的是，他們的問題從來都不是對傳感器、小部件或者一段代碼的需求，而是已經(jīng)為他們帶來成本的、產(chǎn)生消極影響的東西。比如，很多人在用BASIC編寫稅金計(jì)算方案時(shí)，都會出現(xiàn)問題，所以才會想去購買VisiCalc。盡可能少地制造自己的硬件。您的業(yè)務(wù)模型應(yīng)該要比硬件盈利的能力更強(qiáng)。比如，如果你能編寫出最好的打字應(yīng)用程序，讓人愿意為此去購買一臺計(jì)算機(jī)，那為什么還要去制造一臺自己的打字機(jī)呢？如果您的目標(biāo)是搭建平臺，請確保它帶有殺手級應(yīng)用程序，保證平臺的合理性。比如，小型計(jì)算機(jī)公司起起落落，直到“1977 Trinity”與電子表格和文字處理這類殺手級的應(yīng)用進(jìn)行聯(lián)合。使用開放式架構(gòu)，創(chuàng)建一個(gè)開源的生態(tài)系統(tǒng)。在這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)里，其他人能創(chuàng)造更好的組件和外圍設(shè)備，同時(shí)也能將您的解決方案整合到他們的設(shè)備。比如，Apple II和IBM PC都是完全開放的體系結(jié)構(gòu)，支持多種復(fù)制克隆，從而擴(kuò)大了用戶和開發(fā)人員基數(shù)。這是一個(gè)非常值得追求的目標(biāo)。在大多數(shù)業(yè)務(wù)流程已經(jīng)數(shù)字化的情況下，通用機(jī)器人將使我們能夠填補(bǔ)移動性和操縱性方面的空白，在有限的資源和能量的情況下，提升生產(chǎn)率，這可能會創(chuàng)造出一個(gè)以創(chuàng)造力為基本貨幣的理想世界。也許，《星球大戰(zhàn)》中R2-D2機(jī)器人在不久的將來就會變成現(xiàn)實(shí)。