原創(chuàng)：譚婧

機器人登陸月球象征的不只是科技的成就，也是人類的成就?！狢MU教授，野外作業(yè)機器人之父雷德·惠特克(RedWhittaker)。

機器人是最容易理解的科技產(chǎn)品，每一個人都想與大白機器人擁抱，每個行業(yè)都想用機器人提高生產(chǎn)效率。但提起野外作業(yè)，F(xiàn)ield Robotics，不免讓人覺得的陌生。我們可以試著將野外作業(yè)機器人理解成在復(fù)雜環(huán)境工作的機器人。這個復(fù)雜環(huán)境既可以是陸地，也可以是水下；可以是空中，也可以是太空。

機器人應(yīng)對復(fù)雜的環(huán)境，解決實地問題，從學(xué)術(shù)的角度講，需要調(diào)用多個學(xué)科的知識，因此機器人學(xué)屬于多學(xué)科交叉，涉及計算機科學(xué)、機械工程、電氣工程等諸多領(lǐng)域。在實際場景里，為了解決問題，學(xué)科并不需要被分類。運動規(guī)劃、場景解析、姿態(tài)估計、強化學(xué)習(xí)成為一座座需要翻越的高山。工地里、馬路上、城市里，實驗室配置的嬌貴材料可不經(jīng)用。但是，走進商業(yè)就要推倒實驗室的圍墻，創(chuàng)造商用價值。讓機器人走出計算機仿真環(huán)境，走入人類活動的真實環(huán)境。

如果提起野外作業(yè)機器人，那我們不得不提起一位身材魁梧的白胡子老人。

1966年，美國普林斯頓。

他正當(dāng)青春年少，本來會順利的成為該校物理系的一名學(xué)生，但是由于父親失業(yè)，常春藤私立大學(xué)高昂的學(xué)費成為負(fù)擔(dān)，他毅然選擇了退學(xué)。幸虧他當(dāng)年沒有放棄學(xué)業(yè)。否則野外作業(yè)機器人可能會延遲出世。他，就是當(dāng)今野外作業(yè)機器人之父惠特克，被《財富》雜志評為“美國制造業(yè)英雄”。

惠特克教授的人生格言是不放棄。所以，命運沒有給他錯失學(xué)業(yè)的機會。憑著一米八八大高個和堅毅的性格，他選擇了美國海軍陸戰(zhàn)隊，也美國傷亡率最高的部隊之一。軍旅生涯結(jié)束后，兜里揣著學(xué)費，他重回普林斯頓。不知道是不是參軍改變了他的想法，這一次，他選擇了工程學(xué)科，土木工程。熱愛賽艇運動，努力鉆研學(xué)習(xí)。

常春藤的時光匆匆流過，他進入卡耐基梅隆大學(xué)繼續(xù)深造。他的科研生涯在卡耐基梅隆問鼎。他帶領(lǐng)著全球數(shù)一數(shù)二的工科研究團隊，建立了令人敬畏的世界級影響力，成為機器人革命的先鋒，引領(lǐng)著這一領(lǐng)域無數(shù)后來者。

惠特克教授首次使用“野外作業(yè)機器人”這一術(shù)語來描述他的研究，該研究以機器人為中心，在沒有設(shè)計過的，不受限的環(huán)境中（通常是在室外和各種操作和環(huán)境條件下），“自然”世界中的機器人。

卡耐基梅隆大學(xué)由工業(yè)家兼慈善家安德魯·卡耐基于1900年創(chuàng)建，他說，我心于業(yè)（My heart is in the work）。這一位創(chuàng)始人的工業(yè)背景和其理念根植于卡耐基梅隆的文化之中，特別適合機器人學(xué)科生根落地。1979年惠特克取得卡耐基梅隆大學(xué)博士學(xué)位。

在他博士尚未畢業(yè)的同一年，1979年3月28日凌晨4時，美國三里島核反應(yīng)堆發(fā)生事故。現(xiàn)代社會，災(zāi)難現(xiàn)場猶如戰(zhàn)場。是戰(zhàn)士，聽見沖鋒號就得上戰(zhàn)場，機器人為奔赴現(xiàn)場而生?；萏乜私淌趲ьI(lǐng)的團隊研發(fā)的清理機器人代替人類完成了高危工作。人類歷史上第一次。

惠特克教授后來在采訪中說，我一生中最驕傲的時刻是機器人在三里島上把所有東西都清理干凈，關(guān)上大門的那一刻。基于此次事故的技術(shù)經(jīng)驗與成果，卡耐基梅隆大學(xué)計算機學(xué)院的機器人研究中心誕生，清理機器人為研究中心奠定了技術(shù)基礎(chǔ)和信心，是該實驗室的第一代技術(shù)，雖然那個年代還是遠(yuǎn)程操作機器人。

1983年，名叫Terregator 室外自動駕駛機器人，配備攝像頭和無線遙測技術(shù)，在卡耐基·梅隆大學(xué)內(nèi)的小道上悠閑巡航。

1984年，大眾汽車作為進入中國的第一家外資汽車制造商，把那時候的中國形容為“輕度機動化（slightly motorised）”。

也是在1984年，美國國防高級研究計劃局（DARPA）一個類似于神盾局的軍事研究機構(gòu)，啟動了“ALV路上自主汽車計劃”目標(biāo)是通過攝像頭來觀察地形，計算機系統(tǒng)計算出行駛路線，自己導(dǎo)航自己。這一技術(shù)路線，被稱為無人車的雛形。

在隨后的年月里，機器人代替人類出席更多的危險場面，1993年，一只名叫但丁的八足步行機器人向噴發(fā)的南極活火山入口進發(fā)，機器人慢慢地沿著火山的垂直峭壁爬到距離地面260米以下的地方，坐了一夜。在濃煙和高溫中收集了10小時的數(shù)據(jù)。隨后，賓夕法尼亞州的煤礦，內(nèi)華達(dá)州的沙漠，智利的阿塔卡馬沙漠……惠特克教授的機器人成了野外作業(yè)機器人可靠性的代名詞。

1996年，紐約。

一位中國青年人穿過擁擠的曼哈頓街道，站在哥倫比亞大學(xué)圖書館前，欣賞落日余暉靜靜的灑在雅典娜雕塑上。他就是剛從清華大學(xué)本科畢業(yè)的楊睿剛。那時候機器學(xué)習(xí)學(xué)界正在經(jīng)歷研究支持向量機的熱潮。那一年，美國的名義GDP約為中國的10倍。

1997年，南極。

惠特克教授帶領(lǐng)的團隊研發(fā)的機器人在南極洲撿石頭?；臎鰳O寒的南極洲，對普通生物來說是極限環(huán)境。但是，那里的隕石具有很高的科研價值。那么問題來了，誰去收集因為冰川變動而集中在特定地區(qū)的隕石？世事不難，我輩何用?從此，南極洲成了能克服嚴(yán)苛環(huán)境機器人的天然練兵場，亦可作為在月球及其他艱巨環(huán)境運行機器人的測試基地。除了撿石頭，機器人在這里可干的工作還很多。

惠特克教授曾說，三十年前，機器人技術(shù)在很大程度上被視為機械化裝配生產(chǎn)的一種手段， “用螺絲釘固定在工廠流水線上”。而今天的機器人，用模擬數(shù)據(jù)訓(xùn)練直接發(fā)布到現(xiàn)實環(huán)境中就可以跑、跳、踢腿，但是仍然面臨精確、高效地服從指令的挑戰(zhàn)。

美國國防高級研究計劃局高度重視無人車技術(shù)的發(fā)展，在2004年到2007年年間，用比賽和高額獎金全力推動。這并不是半路冒出來的技術(shù)方向。美國國防高級研究計劃局于1969年推出了互聯(lián)網(wǎng)，于1973年推出了全球定位系統(tǒng)，于1979年推出了首批數(shù)字地圖。這三項發(fā)明使現(xiàn)代機器人與無人駕駛成為可能。

2007年，美國國防高級研究計劃局斥巨資舉辦的比賽上，惠特克老先生帶領(lǐng)卡耐基梅隆的科研團隊贏了200萬美金，他并沒有急于吹捧機器人技術(shù)。而是說了一句頗有哲理的話，對于有可能改變的事情，一旦改變永不回頭。他還補充道，機器人會突然間地震驚世界，激發(fā)很多人“可能性”一詞的重新理解。現(xiàn)象級的機器人一旦問世，技術(shù)將永不倒退。

突破性拓寬機器人應(yīng)用的廣闊天地。機器人從實驗室里從出來，走進商業(yè)領(lǐng)域更是它的使命。在研究和商業(yè)的十字路口，惠特克老先生一手鞏固卡耐基梅隆大學(xué)在機器人領(lǐng)域中的研究高度。一手成立了機器人科技公司Redzone robotic，推出專門檢查和修理下水道和水管的機器人，解決人類不適合清理直徑為26 到 41 厘米的下水管道的問題。

專門檢查和修理下水道和水管的機器人

讓美國匹茲堡成為全球機器人研究高地的項目是，探索火星和月球的原型機器人，但那個年代機器人也不能算自主機器人。因為只有自己拿主意，動腦子，有自主能力的才能算是真正機器人，沒有自主能力的則更像是機器，放在今天都應(yīng)該算作古典機器人。

2003年，名為Spirit和Opportunity的機器人兩兄弟從地球出發(fā)，路上跑了快一年，次年才抵達(dá)火星。在大量的新聞媒體，包括美國宇航局本身的報道中，經(jīng)常將機器人Spirit和Opportunity稱為“機器人探險家”。如今看來，顯然它們不是。既不是自己探索，也不自己做出判斷。它們更像是遠(yuǎn)程操作的，而不是來探險的。雖然火星和地球距離遙遠(yuǎn)，命令發(fā)出和接受響應(yīng)之間還有20分鐘時間延遲，但是這兩位古典機器人的首戰(zhàn)非常成功。

如果按照這個嚴(yán)苛的定義，享譽世界的達(dá)芬奇手術(shù)機器人也不算“真正的機器人”，它的手和眼睛都是手術(shù)醫(yī)生的延伸，做手術(shù)的還是醫(yī)生。但是達(dá)芬奇手術(shù)機器人誕生的十年來，將公司的股價從9美元升到了，2018年最高股價574美元。據(jù)聞，達(dá)芬奇中國區(qū)的銷售代表曾說過，憑借我們與醫(yī)院方面的良好關(guān)系，就算谷歌與強生聯(lián)手推出機器人也未必有勝算。這就是行業(yè)壟斷者的傲慢。

達(dá)芬奇手術(shù)機器人誕生十年

惠特克認(rèn)為自己不是理論科學(xué)家。他所堅持研發(fā)的機器人都有實際的用途。例如，他發(fā)明的機器人技術(shù)可使拖拉機在自動駕駛儀上工作?；贕PS信號和激光掃描儀，告訴機器它在哪里。德國Deere公司高端農(nóng)場設(shè)備在田間地頭就使用該技術(shù)。惠特克自己成立的創(chuàng)業(yè)公司的機器人也是直接面向可用場景——下水管道。也有人說，是惠特克，把機器人從生產(chǎn)線上的固定螺絲上解放了，他的機器人面臨的是高度復(fù)雜的環(huán)境，而不是周而復(fù)始運轉(zhuǎn)的生產(chǎn)線。

人類第一次生產(chǎn)力解放是在英國工業(yè)革命的時代，現(xiàn)在輪到了機器人。

2016年，美國國會中國經(jīng)濟與安全審查委員會出版《中國的工業(yè)和軍事機器人發(fā)展》報告中談到，機器人行業(yè)為美國經(jīng)濟和安全利益提供了機遇和挑戰(zhàn)。中國對工業(yè)機器人和高端機器人組件的需求，以及中美雙邊人工智能研究的投資都為美國提供了市場和合作機會。然而，工業(yè)機器人也可能提高中國制造業(yè)的競爭力和質(zhì)量，侵蝕美國的競爭優(yōu)勢，并為中國的國防工業(yè)能力做出貢獻。

美國很清楚，中國成為世界第二大經(jīng)濟體，也正在努力成為工業(yè)自動化和工業(yè)機器人領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。這種努力是為了推動本國工業(yè)向科技價值鏈上游攀升。中國需要這種價值鏈上游的優(yōu)勢。喊什么口號都沒有用，眼下誰輸誰贏也都不重要。埋頭干，干個五年、十年再論得失。

也是2016年，百度自動駕駛與機器人實驗室誕生，由實驗室負(fù)責(zé)人楊睿剛博士領(lǐng)導(dǎo)，直接匯報給海峰總。那時候的楊睿剛博士認(rèn)為，自動駕駛是機器人的特例，可以理解為在復(fù)雜環(huán)境下，以移動能力為特長的機器人。

2018年，百度。

自動駕駛與機器人實驗室里誕生了百度無人挖掘機，亮相在百度世界大會上，現(xiàn)場觀眾一度發(fā)出驚呼。無人挖掘機使用的立體視覺技術(shù)，是計算機視覺領(lǐng)域的一個重要分支，經(jīng)過幾十年的發(fā)展和研究，已經(jīng)應(yīng)用于許多領(lǐng)域。

并不是遠(yuǎn)程控制的無人駕駛的挖掘機熱火朝天在工地干活，而是能夠真正的自主判斷挖坑還是拉平土坡的挖掘機。世界上首臺基于視覺技術(shù)構(gòu)成的低成本、可量產(chǎn)解決方案的工程裝備，具備多目感知與強化學(xué)習(xí)能力誕生在互聯(lián)網(wǎng)公司的產(chǎn)品展臺上。

在立體視覺技術(shù)路線之前的無人挖掘機，徐工集團、三一集團、日本小松都有做，但是被各種各樣的困難阻礙。

美國卡特彼勒公司是世界上最大的工程機械廠商，也在這個領(lǐng)域鉆研多年。近幾年的能力包括無人駕駛的拖運卡車、推土設(shè)備，地下裝載設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和半自動操作。

自研的挖掘機傳感器系統(tǒng)和傳感設(shè)備，能夠提供精準(zhǔn)的位置信息，但是這樣一套五十萬左右，太貴了，比挖掘機整機價格貴出好幾倍。這樣的機器人在商業(yè)領(lǐng)域，沒有飯吃。

被成本阻礙的工程巨頭不止美國的卡特彼勒一家。徐工的方案使用了德國技術(shù)，也使用激光導(dǎo)航方案，可以進行路徑規(guī)劃，但是也沒有量產(chǎn)的可能，一個激光雷達(dá)五萬以上，而且一個激光雷達(dá)不夠用。前車之鑒讓楊睿剛很清醒的認(rèn)識到，百度的方案，得用科技挑戰(zhàn)成本。

所以，百度的無人挖掘機從一開始就徹底拚棄了激光雷達(dá)的技術(shù)路線。

楊睿剛教授介紹，經(jīng)過他和團隊的摸索。無人挖掘機最困難的一部分是對挖掘臂的運動規(guī)劃的控制。挖下去的時候效率要高。如何形象解釋無人挖掘機的效率？挖一鏟子下去，裝一半鏟子的效率明顯低于裝滿鏟子的效率，一鏟子差一半。無人挖掘機運行軌跡是大圈還是小圈也是要精確考慮的。因為效率低的方案不僅耗油，而且耗時。

實驗室和工地是完全不一樣的情況。實驗室里考慮的問題是，挖掘臂狀態(tài)歷史和位置目標(biāo)映射為扭矩值，然后進入下一個訓(xùn)練循環(huán)。挖掘現(xiàn)場的問題則更加實際、更加復(fù)雜?？朔藢嶒炇夷M環(huán)境、訓(xùn)練過程和在物理環(huán)境中的部署的問題，每一鏟下去，對無人挖掘機來說，地形環(huán)境都發(fā)生了改變。所以要讓無人挖掘機自己要很清楚，下一鏟怎么挖？不是人工操作，不是遠(yuǎn)程控制，無人挖掘機自主控制。

無人駕駛的工程輔助設(shè)備幾年前就有，做的是輔助作業(yè)，比如把破拉平這樣的任務(wù)。把坡拉平，不需要視覺的反饋，反而更重視路徑的規(guī)劃。

同時定位與地圖構(gòu)建（SLAM）技術(shù)是個重點，也是很多在這個領(lǐng)域鉆研的創(chuàng)業(yè)公司的核心競爭力，楊睿剛博士說，同時定位與地圖構(gòu)建主要用于解決移動機器人在未知環(huán)境中運行時定位導(dǎo)航與地圖構(gòu)建的問題，而在今天的百度已經(jīng)被當(dāng)做一個工程問題來解決了。

除了以上技術(shù)難點與重點，強化學(xué)習(xí)算法讓無人挖掘機性能的每一次提升，都會是一種挑戰(zhàn)，而且是越來越大的挑戰(zhàn)。

美國大學(xué)的賽艇運動源于哈佛，普林斯頓賽艇運動也傳承了百年，艱苦的學(xué)習(xí)與研究需要強健的體魄，這一傳統(tǒng)也終身影響著惠特克教授。

1996年，清華大學(xué)東操場。

就快本科畢業(yè)的楊睿剛清晨跑步時，能看見“為祖國健康工作五十年”這幾個大字。2019年1月，惠特克教授設(shè)定了一個與機器人無關(guān)的運動目標(biāo)：要在室內(nèi)劃船比賽中取得好名次。他上一次參加劃船比賽，還是在普林斯頓念本科的時候。

野外作業(yè)機器人是人工智能應(yīng)用落地的重要賽道?；ヂ?lián)網(wǎng)公司造工程設(shè)備，只要沒有成功量產(chǎn)，步步都是質(zhì)疑聲，來自對互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)這輛大車駛?cè)肫髽I(yè)級業(yè)務(wù)賽道的質(zhì)疑，來自老牌制造企業(yè)的質(zhì)疑。野外作業(yè)機器人之父惠特克教授，百度三維視覺首席科學(xué)家楊睿剛教授，以及百度機器人和自動駕駛實驗室團隊的每一個成員都篤信：唯一的失敗，就是放棄。（完）