機(jī)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(jī)器人之父雷德·惠特克(RedWhittaker)。

機(jī)器人是最容易理解的科技產(chǎn)品，每一個(gè)人都想與大白機(jī)器人擁抱，每個(gè)行業(yè)都想用機(jī)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(jué)得的陌生。我們可以試著將野外作業(yè)機(jī)器人理解成在復(fù)雜環(huán)境工作的機(jī)器人。這個(gè)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(jī)器人應(yīng)對(duì)復(fù)雜的環(huán)境，解決實(shí)地問(wèn)題，從學(xué)術(shù)的角度講，需要調(diào)用多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，因此機(jī)器人學(xué)屬于多學(xué)科交叉，涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、機(jī)械工程、電氣工程等諸多領(lǐng)域。在實(shí)際場(chǎng)景里，為了解決問(wèn)題，學(xué)科并不需要被分類。運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、場(chǎng)景解析、姿態(tài)估計(jì)、強(qiáng)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(shí)驗(yàn)室配置的嬌貴材料可不經(jīng)用。但是，走進(jìn)商業(yè)就要推倒實(shí)驗(yàn)室的圍墻，創(chuàng)造商用價(jià)值。讓機(jī)器人走出計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境，走入人類活動(dòng)的真實(shí)環(huán)境。

如果提起野外作業(yè)機(jī)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(guó)普林斯頓。

他正當(dāng)青春年少，本來(lái)會(huì)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(fèi)成為負(fù)擔(dān)，他毅然選擇了退學(xué)。幸虧他當(dāng)年沒(méi)有放棄學(xué)業(yè)。否則野外作業(yè)機(jī)器人可能會(huì)延遲出世。他，就是當(dāng)今野外作業(yè)機(jī)器人之父惠特克，被《財(cái)富》雜志評(píng)為“美國(guó)制造業(yè)英雄”。

惠特克教授的人生格言是不放棄。所以，命運(yùn)沒(méi)有給他錯(cuò)失學(xué)業(yè)的機(jī)會(huì)。憑著一米八八大高個(gè)和堅(jiān)毅的性格，他選擇了美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)，也美國(guó)傷亡率最高的部隊(duì)之一。軍旅生涯結(jié)束后，兜里揣著學(xué)費(fèi)，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(ài)賽艇運(yùn)動(dòng)，努力鉆研學(xué)習(xí)。

常春藤的時(shí)光匆匆流過(guò)，他進(jìn)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(wèn)鼎。他帶領(lǐng)著全球數(shù)一數(shù)二的工科研究團(tuán)隊(duì)，建立了令人敬畏的世界級(jí)影響力，成為機(jī)器人革命的先鋒，引領(lǐng)著這一領(lǐng)域無(wú)數(shù)后來(lái)者。

惠特克教授首次使用“野外作業(yè)機(jī)器人”這一術(shù)語(yǔ)來(lái)描述他的研究，該研究以機(jī)器人為中心，在沒(méi)有設(shè)計(jì)過(guò)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(jī)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(shuō)，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(jī)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(shí)，美國(guó)三里島核反應(yīng)堆發(fā)生事故。現(xiàn)代社會(huì)，災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)猶如戰(zhàn)場(chǎng)。是戰(zhàn)士，聽(tīng)見(jiàn)沖鋒號(hào)就得上戰(zhàn)場(chǎng)，機(jī)器人為奔赴現(xiàn)場(chǎng)而生?；萏乜私淌趲ьI(lǐng)的團(tuán)隊(duì)研發(fā)的清理機(jī)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(lái)在采訪中說(shuō)，我一生中最驕傲的時(shí)刻是機(jī)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?；诖舜问鹿实募夹g(shù)經(jīng)驗(yàn)與成果，卡耐基梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院的機(jī)器人研究中心誕生，清理機(jī)器人為研究中心奠定了技術(shù)基礎(chǔ)和信心，是該實(shí)驗(yàn)室的第一代技術(shù)，雖然那個(gè)年代還是遠(yuǎn)程操作機(jī)器人。

1983年，名叫Terregator 室外自動(dòng)駕駛機(jī)器人，配備攝像頭和無(wú)線遙測(cè)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(jìn)入中國(guó)的第一家外資汽車制造商，把那時(shí)候的中國(guó)形容為“輕度機(jī)動(dòng)化（slightly motorised）”。

也是在1984年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）一個(gè)類似于神盾局的軍事研究機(jī)構(gòu)，啟動(dòng)了“ALV路上自主汽車計(jì)劃”目標(biāo)是通過(guò)攝像頭來(lái)觀察地形，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算出行駛路線，自己導(dǎo)航自己。這一技術(shù)路線，被稱為無(wú)人車的雛形。

在隨后的年月里，機(jī)器人代替人類出席更多的危險(xiǎn)場(chǎng)面，1993年，一只名叫但丁的八足步行機(jī)器人向噴發(fā)的南極活火山入口進(jìn)發(fā)，機(jī)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(shí)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(jī)器人成了野外作業(yè)機(jī)器人可靠性的代名詞。

1996年，紐約。

一位中國(guó)青年人穿過(guò)擁擠的曼哈頓街道，站在哥倫比亞大學(xué)圖書(shū)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(shí)候機(jī)器學(xué)習(xí)學(xué)界正在經(jīng)歷研究支持向量機(jī)的熱潮。那一年，美國(guó)的名義GDP約為中國(guó)的10倍。

1997年，南極。

惠特克教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)研發(fā)的機(jī)器人在南極洲撿石頭?；臎鰳O寒的南極洲，對(duì)普通生物來(lái)說(shuō)是極限環(huán)境。但是，那里的隕石具有很高的科研價(jià)值。那么問(wèn)題來(lái)了，誰(shuí)去收集因?yàn)楸ㄗ儎?dòng)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(jī)器人的天然練兵場(chǎng)，亦可作為在月球及其他艱巨環(huán)境運(yùn)行機(jī)器人的測(cè)試基地。除了撿石頭，機(jī)器人在這里可干的工作還很多。

惠特克教授曾說(shuō)，三十年前，機(jī)器人技術(shù)在很大程度上被視為機(jī)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(jī)器人，用模擬數(shù)據(jù)訓(xùn)練直接發(fā)布到現(xiàn)實(shí)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(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局高度重視無(wú)人車技術(shù)的發(fā)展，在2004年到2007年年間，用比賽和高額獎(jiǎng)金全力推動(dòng)。這并不是半路冒出來(lái)的技術(shù)方向。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)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(xiàng)發(fā)明使現(xiàn)代機(jī)器人與無(wú)人駕駛成為可能。

2007年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)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(tuán)隊(duì)贏了200萬(wàn)美金，他并沒(méi)有急于吹捧機(jī)器人技術(shù)。而是說(shuō)了一句頗有哲理的話，對(duì)于有可能改變的事情，一旦改變永不回頭。他還補(bǔ)充道，機(jī)器人會(huì)突然間地震驚世界，激發(fā)很多人“可能性”一詞的重新理解?，F(xiàn)象級(jí)的機(jī)器人一旦問(wèn)世，技術(shù)將永不倒退。

突破性拓寬機(jī)器人應(yīng)用的廣闊天地。機(jī)器人從實(shí)驗(yàn)室里從出來(lái)，走進(jìn)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(jī)器人領(lǐng)域中的研究高度。一手成立了機(jī)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(jī)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(wèn)題。

專門檢查和修理下水道和水管的機(jī)器人

讓美國(guó)匹茲堡成為全球機(jī)器人研究高地的項(xiàng)目是，探索火星和月球的原型機(jī)器人，但那個(gè)年代機(jī)器人也不能算自主機(jī)器人。因?yàn)橹挥凶约耗弥饕?，?dòng)腦子，有自主能力的才能算是真正機(jī)器人，沒(méi)有自主能力的則更像是機(jī)器，放在今天都應(yīng)該算作古典機(jī)器人。

2003年，名為Spirit和Opportunity的機(jī)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(guó)宇航局本身的報(bào)道中，經(jīng)常將機(jī)器人Spirit和Opportunity稱為“機(jī)器人探險(xiǎn)家”。如今看來(lái)，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(lái)探險(xiǎn)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(shí)間延遲，但是這兩位古典機(jī)器人的首戰(zhàn)非常成功。

如果按照這個(gè)嚴(yán)苛的定義，享譽(yù)世界的達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人也不算“真正的機(jī)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(jī)器人誕生的十年來(lái)，將公司的股價(jià)從9美元升到了，2018年最高股價(jià)574美元。據(jù)聞，達(dá)芬奇中國(guó)區(qū)的銷售代表曾說(shuō)過(guò)，憑借我們與醫(yī)院方面的良好關(guān)系，就算谷歌與強(qiáng)生聯(lián)手推出機(jī)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(jī)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(jiān)持研發(fā)的機(jī)器人都有實(shí)際的用途。例如，他發(fā)明的機(jī)器人技術(shù)可使拖拉機(jī)在自動(dòng)駕駛儀上工作?；?a href="http://m.htyl001.com/shop/35548/index/" title="GP" target="_blank">GPS信號(hào)和激光掃描儀，告訴機(jī)器它在哪里。德國(guó)Deere公司高端農(nóng)場(chǎng)設(shè)備在田間地頭就使用該技術(shù)?；萏乜俗约撼闪⒌膭?chuàng)業(yè)公司的機(jī)器人也是直接面向可用場(chǎng)景——下水管道。也有人說(shuō)，是惠特克，把機(jī)器人從生產(chǎn)線上的固定螺絲上解放了，他的機(jī)器人面臨的是高度復(fù)雜的環(huán)境，而不是周而復(fù)始運(yùn)轉(zhuǎn)的生產(chǎn)線。

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

2016年，美國(guó)國(guó)會(huì)中國(guó)經(jīng)濟(jì)與安全審查委員會(huì)出版《中國(guó)的工業(yè)和軍事機(jī)器人發(fā)展》報(bào)告中談到，機(jī)器人行業(yè)為美國(guó)經(jīng)濟(jì)和安全利益提供了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。中國(guó)對(duì)工業(yè)機(jī)器人和高端機(jī)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(guó)提供了市場(chǎng)和合作機(jī)會(huì)。然而，工業(yè)機(jī)器人也可能提高中國(guó)制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力和質(zhì)量，侵蝕美國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，并為中國(guó)的國(guó)防工業(yè)能力做出貢獻(xiàn)。

美國(guó)很清楚，中國(guó)成為世界第二大經(jīng)濟(jì)體，也正在努力成為工業(yè)自動(dòng)化和工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。這種努力是為了推動(dòng)本國(guó)工業(yè)向科技價(jià)值鏈上游攀升。中國(guó)需要這種價(jià)值鏈上游的優(yōu)勢(shì)。喊什么口號(hào)都沒(méi)有用，眼下誰(shuí)輸誰(shuí)贏也都不重要。埋頭干，干個(gè)五年、十年再論得失。

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

2018年，百度。

自動(dòng)駕駛與機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室里誕生了百度無(wú)人挖掘機(jī)，亮相在百度世界大會(huì)上，現(xiàn)場(chǎng)觀眾一度發(fā)出驚呼。無(wú)人挖掘機(jī)使用的立體視覺(jué)技術(shù)，是計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，經(jīng)過(guò)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(wú)人駕駛的挖掘機(jī)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(jī)。世界上首臺(tái)基于視覺(jué)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(qiáng)化學(xué)習(xí)能力誕生在互聯(lián)網(wǎng)公司的產(chǎn)品展臺(tái)上。

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

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

自研的挖掘機(jī)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(wàn)左右，太貴了，比挖掘機(jī)整機(jī)價(jià)格貴出好幾倍。這樣的機(jī)器人在商業(yè)領(lǐng)域，沒(méi)有飯吃。

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

所以，百度的無(wú)人挖掘機(jī)從一開(kāi)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(guò)他和團(tuán)隊(duì)的摸索。無(wú)人挖掘機(jī)最困難的一部分是對(duì)挖掘臂的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的控制。挖下去的時(shí)候效率要高。如何形象解釋無(wú)人挖掘機(jī)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(wú)人挖掘機(jī)運(yùn)行軌跡是大圈還是小圈也是要精確考慮的。因?yàn)樾实偷姆桨覆粌H耗油，而且耗時(shí)。

實(shí)驗(yàn)室和工地是完全不一樣的情況。實(shí)驗(yàn)室里考慮的問(wèn)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(jìn)入下一個(gè)訓(xùn)練循環(huán)。挖掘現(xiàn)場(chǎng)的問(wèn)題則更加實(shí)際、更加復(fù)雜?？朔藢?shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境、訓(xùn)練過(guò)程和在物理環(huán)境中的部署的問(wèn)題，每一鏟下去，對(duì)無(wú)人挖掘機(jī)來(lái)說(shuō)，地形環(huán)境都發(fā)生了改變。所以要讓無(wú)人挖掘機(jī)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(wú)人挖掘機(jī)自主控制。

無(wú)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(jué)的反饋，反而更重視路徑的規(guī)劃。

同時(shí)定位與地圖構(gòu)建（SLAM）技術(shù)是個(gè)重點(diǎn)，也是很多在這個(gè)領(lǐng)域鉆研的創(chuàng)業(yè)公司的核心競(jìng)爭(zhēng)力，楊睿剛博士說(shuō)，同時(shí)定位與地圖構(gòu)建主要用于解決移動(dòng)機(jī)器人在未知環(huán)境中運(yùn)行時(shí)定位導(dǎo)航與地圖構(gòu)建的問(wèn)題，而在今天的百度已經(jīng)被當(dāng)做一個(gè)工程問(wèn)題來(lái)解決了。

除了以上技術(shù)難點(diǎn)與重點(diǎn)，強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法讓無(wú)人挖掘機(jī)性能的每一次提升，都會(huì)是一種挑戰(zhàn)，而且是越來(lái)越大的挑戰(zhàn)。

美國(guó)大學(xué)的賽艇運(yùn)動(dòng)源于哈佛，普林斯頓賽艇運(yùn)動(dòng)也傳承了百年，艱苦的學(xué)習(xí)與研究需要強(qiáng)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(chǎng)。

就快本科畢業(yè)的楊睿剛清晨跑步時(shí)，能看見(jiàn)“為祖國(guó)健康工作五十年”這幾個(gè)大字。2019年1月，惠特克教授設(shè)定了一個(gè)與機(jī)器人無(wú)關(guān)的運(yùn)動(dòng)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(shí)候。

野外作業(yè)機(jī)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(méi)有成功量產(chǎn)，步步都是質(zhì)疑聲，來(lái)自對(duì)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)這輛大車駛?cè)肫髽I(yè)級(jí)業(yè)務(wù)賽道的質(zhì)疑，來(lái)自老牌制造企業(yè)的質(zhì)疑。野外作業(yè)機(jī)器人之父惠特克教授，百度三維視覺(jué)首席科學(xué)家楊睿剛教授，以及百度機(jī)器人和自動(dòng)駕駛實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)的每一個(gè)成員都篤信：唯一的失敗，就是放棄。（完）