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浮華背后的巨大需求

2020年，雷軍在小米十周年發(fā)布會上公告了小米智能工廠的存在。雷軍說，小米全自動化智能工廠大規(guī)模使用自動化產(chǎn)線、5G網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器人、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，效率比傳統(tǒng)工廠提升了60％以上。

△小米智能工廠

作為國產(chǎn)智能手機(jī)的頭部廠商，小米智能工廠大概是被公眾所熟知的智能制造代表之一。事實(shí)上，不止是智能手機(jī)行業(yè)，近些年崛起的國產(chǎn)造車新勢力同樣在工業(yè)智能化方面可圈可點(diǎn)。而也正是智能手機(jī)行業(yè)與汽車制造業(yè)的“"，讓普通人有了“中國制造開啟工業(yè)4.0時代"的錯覺。

為什么這么說？因?yàn)橹悄苁謾C(jī)制造與汽車制造都涉及大量的流程制造，其產(chǎn)品本身或零部件更容易拆解成標(biāo)準(zhǔn)的加工與裝配等工藝，進(jìn)而形成標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)產(chǎn)線，只要設(shè)備體系運(yùn)行正常，工藝參數(shù)得到控制，就可以生產(chǎn)正常的合格產(chǎn)品。即便存在一些離散制造場景，也能通過大批量的制造需求與較長的換代周期，彌補(bǔ)鋪設(shè)現(xiàn)代化生產(chǎn)線帶來的較高成本。

手機(jī)制造業(yè)與汽車制造業(yè)的這些特點(diǎn)，也為其工業(yè)智能化提供了適合的土壤?？删幊淌綑C(jī)器人得到規(guī)模化應(yīng)用，解決了大批量產(chǎn)品高效自動化生產(chǎn)的問題，本質(zhì)上屬于“工業(yè)3.0“生產(chǎn)作業(yè)模式。在"工業(yè)3.0"模式下，能夠解決或基本解決的高效生產(chǎn)任務(wù)，因?yàn)榻?jīng)濟(jì)性原因，本身沒有必要進(jìn)化升級到“工業(yè)4.0"。

▲ 比亞迪新能源車生產(chǎn)線

然而，在這些場景之外，還存在著大量特殊的離散制造場景，多品種、小批量定制的場景特點(diǎn)導(dǎo)致至今仍舊依靠大量的純?nèi)斯ぷ鳂I(yè)支撐。據(jù)西安中科光電精密工程有限公司（以下簡稱西安中科光電）創(chuàng)始人兼CEO吳易明博士介紹，以焊接行業(yè)為例，在基建鋼構(gòu)、重型裝備、船舶制造、鍋爐壓力容器及航空航天等領(lǐng)域的典型離散制造場景，依舊至少有80%的工作需要純?nèi)斯ぷ鳂I(yè)來完成。

人口紅利效應(yīng)褪去，勞動力成本上升，年輕人逐漸逃離工廠等因素使得制造業(yè)領(lǐng)域人才儲備要素受限。加之疫情影響，純?nèi)斯ぷ鳂I(yè)方式遭遇巨大挑戰(zhàn)。像焊接這樣的離散場景需求逐漸放大，成為目前工業(yè)轉(zhuǎn)型壓力的領(lǐng)域之一。這些工作誰來干？成為相關(guān)行業(yè)發(fā)展的重要議題。

▲ 以重工焊接為代表的離散制造場景

而當(dāng)各種機(jī)器人（機(jī)械臂）將注意力更多的集中在以流水線為主的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型需求的時候，當(dāng)這些需求僅僅依靠傳統(tǒng)機(jī)械臂等方式即可實(shí)現(xiàn)全自動化生產(chǎn)的時候，像焊接這樣的離散場景需求，也就自然而然地成為被遺忘的角落。因此，真正的“工業(yè)4.0"生產(chǎn)模式，必須直面上述場景生產(chǎn)任務(wù)的挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人對一線工人的替代。

沒有智能機(jī)器人，制造業(yè)很難再進(jìn)步

2015年，中國提出的“2025智能制造戰(zhàn)略"為整個制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級畫出了一張宏偉藍(lán)圖；6年后，《“十四五"智能制造發(fā)展規(guī)劃》提出實(shí)施智能制造裝備創(chuàng)新發(fā)展行動，同時開展工業(yè)機(jī)器人創(chuàng)新產(chǎn)品發(fā)展行動。將整塊“智能制造"的版圖分割為一塊塊拼圖，讓智能制造具化為一種可以觸摸的可能。同年12月，發(fā)布《“十四五"機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，提出重點(diǎn)推進(jìn)工業(yè)機(jī)器人等產(chǎn)品的研制及應(yīng)用，提高性能、質(zhì)量和安全性，推動產(chǎn)品化智能化發(fā)展。

但遺憾的是，傳統(tǒng)機(jī)器人（機(jī)械臂）的局限性制約了智能制造的發(fā)展。為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)狀？為什么沒有廠商瞄準(zhǔn)這部分需求，推出相對應(yīng)的智能化解決方案？顯然，在這些典型離散制造場景下，智能機(jī)器人面臨的痛點(diǎn)難點(diǎn)不容忽視。

同樣以重工焊接為例，面對各種柔性需求，機(jī)器人能否適應(yīng)不同工件、組對誤差與加工誤差的復(fù)雜要求？效率方面，機(jī)器人能否比人工生產(chǎn)效率更高，進(jìn)而產(chǎn)生更好的效益？談及品質(zhì)，機(jī)器人的焊縫形貌是否質(zhì)量更優(yōu)，機(jī)械特性與一致性是否更好？生產(chǎn)管理方面，機(jī)器人能否獨(dú)立實(shí)現(xiàn)質(zhì)量信息追溯與調(diào)度過程信息化？此外，環(huán)?？刂萍笆褂镁S護(hù)等方面，機(jī)器人是否擁有相應(yīng)的優(yōu)勢？

▲ 重工焊接等離散制造面臨復(fù)雜要求

人類之所以能夠應(yīng)對如此復(fù)雜的任務(wù)，與多重感官的輔助與大腦的靈活調(diào)度顯然是分不開的。那么，將機(jī)器人擬人化能否解決這個問題呢？問題顯然沒有這么簡單，雖然眾多的影視作品都選擇將機(jī)器人刻畫為“五官俱全"的類人形象，但工業(yè)上能見到的機(jī)器人大多依舊是擁有N個轉(zhuǎn)向軸的機(jī)械手臂。那么，為什么不給這些工業(yè)機(jī)器人裝上“眼睛"呢？

據(jù)了解，工業(yè)機(jī)器人（機(jī)械臂）按照輸入信號方式，可分為編程輸入型機(jī)器人和示教輸入型機(jī)器人。簡單來說，僅需通過程序?qū)耄蚴侨斯な窘?，這些工業(yè)機(jī)器人便可以實(shí)現(xiàn)簡單的流水線操作。

▲ 機(jī)器人示教器

在此基礎(chǔ)上，賦予機(jī)器人“眼睛"和“大腦"，使得機(jī)器人成為識別、檢測都更加擬人化的智能機(jī)器人，并非不可能。但據(jù)中科光電創(chuàng)始人吳博士介紹，圍繞機(jī)械臂技術(shù)架構(gòu)，增強(qiáng)傳感功能這一發(fā)展途徑，本質(zhì)上是制約智能機(jī)器人產(chǎn)品升級和技術(shù)革新的障礙。智能技術(shù)發(fā)展后，真正的智能機(jī)器人，以“大腦“為控制核心，以感知和智能識別為關(guān)鍵技術(shù)要素，機(jī)械臂是機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動執(zhí)行部件，因此，重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)是推進(jìn)技術(shù)升級和產(chǎn)品進(jìn)階的必由之路。

吳博士表示，當(dāng)人類去看眼前的物體，比如一個沙發(fā)的時候，能夠辨認(rèn)一個對象的實(shí)質(zhì)是因?yàn)椤叭祟?能夠有效抽取對象的幾何結(jié)構(gòu)并在大腦空間中將對象表征和重構(gòu)出來，形成有效映射和鏡像。依靠人類成長過程中潛移默化的視覺認(rèn)知能力，人類能夠根據(jù)局部信息判斷出這就是一個沙發(fā)。

目前主流的人工智能技術(shù)無法從技術(shù)角度嚴(yán)格保證視覺信息與空間實(shí)物對象之間的映射關(guān)系，因此需要依靠對大量的圖片信息進(jìn)行訓(xùn)練，通過海量的數(shù)據(jù)積累，使機(jī)器提高識別的準(zhǔn)確性。

▲ 激光雷達(dá)成像示意

相關(guān)資料顯示，采用稀疏獎勵的方法訓(xùn)練一個機(jī)械臂的手勢，需要上千萬的模擬學(xué)習(xí)的樣本和兩周的訓(xùn)練時間。一個動作尚且如此，在離散制造場景中，各種不確定因素衍生出的復(fù)雜局面顯然不是普通視覺機(jī)器人能夠應(yīng)對的。

類似的情況也出現(xiàn)在自動駕駛領(lǐng)域。，自動駕駛車輛通過激光雷達(dá)等復(fù)合傳感技術(shù)獲取道路信息，再通過人工智能技術(shù)識別復(fù)雜路況，進(jìn)而給出相關(guān)指令。但由于每一個指令過后都會有一個不同的復(fù)雜路況衍生出來，就使得其人工智能模塊不斷承受更大的壓力，直到指令出錯引發(fā)事故。目前自動駕駛技術(shù)遭遇瓶頸與此顯然不無關(guān)聯(lián)。

▲ 自動駕駛原理示意

2022年1月，復(fù)旦大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊(duì)通過模擬動畫展示了某L4級別無人駕駛汽車必然會發(fā)生碰撞的其中一個特定場景。并且結(jié)果顯示這并不是孤例，該團(tuán)隊(duì)的測試系統(tǒng)僅在一周內(nèi)就發(fā)現(xiàn)數(shù)百個碰撞的案例，并通過媒體呼吁不要嘗試L2以上級別自動駕駛功能。

顯然，無論是自動駕駛領(lǐng)域，還是離散制造場景下的重工焊接等領(lǐng)域，都需要一條新的思路，來解決復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)需求。

對此，吳易明博士表示，工業(yè)4.0需要處理大量的不確定性，因此要與周圍環(huán)境深度互動，而對于“具身智能"的研究有望開啟機(jī)器智能的新階段?！熬呱硇?的概念起源于認(rèn)知心理學(xué)，指生理體驗(yàn)與心理認(rèn)知之間有強(qiáng)烈的聯(lián)系。生物（包括人）在智能發(fā)生及進(jìn)階過程中呈現(xiàn)顯著的具身性特點(diǎn)，即認(rèn)知和智力活動不是頭腦的孤立計算，而是頭腦、身體和環(huán)境的自適應(yīng)交互作用?！熬呱碇悄?強(qiáng)調(diào)智能體可以像生物體一樣，通過感覺器官獲取物理世界的真實(shí)反饋，通過反饋進(jìn)一步讓智能體優(yōu)化使其更“智能"。

▲ 達(dá)爾文進(jìn)化論

視覺是人類對于復(fù)雜信息采集和處理主要和高效的感知方式，當(dāng)人類在解決工業(yè)場景的柔性生產(chǎn)問題時，首先通過視覺觀察，把物理空間要解決的現(xiàn)實(shí)問題轉(zhuǎn)換到認(rèn)知空間，在認(rèn)知空間進(jìn)行計算、思考和推理形成解決方案，然后通過手臂或工具作用于物理空間，完成“感知-認(rèn)知-規(guī)劃-執(zhí)行"的閉環(huán)。

反觀機(jī)器智能，在感知層面，目前3D相機(jī)等視覺信息初級感知技術(shù)已較為成熟，但是在機(jī)器認(rèn)知環(huán)節(jié)尚未形成突破，導(dǎo)致規(guī)劃和執(zhí)行層面與感知層面脫節(jié)，所以目前工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用大多局限于用專用機(jī)器（專機(jī)）方式處理特定的問題。在機(jī)器認(rèn)知層面，核心是讓機(jī)器能夠理解、處理對象感知信息的含義，建立物理空間和認(rèn)知空間的對應(yīng)關(guān)系。

真“智能"機(jī)器人的探索之路

1998年，剛剛本科畢業(yè)的吳易明進(jìn)入到西安光機(jī)所工作，一干就是15個年頭。在這里，他埋頭苦干，突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，將理論研究轉(zhuǎn)化為科研成果，并在2009年趕著最后答辯的時限，拿到了大學(xué)的博士學(xué)位。然而吳博士卻說，“我的運(yùn)氣比較好，我98年畢業(yè)，99年就開始負(fù)責(zé)項(xiàng)目，然后慢慢地把手里的項(xiàng)目拓展成了研究室。"

吳博士這里提到的研究室是西光所光學(xué)定向與瞄準(zhǔn)技術(shù)室。在研究所期間，吳博士主要從事瞄準(zhǔn)技術(shù)和原子慣性技術(shù)研究工作，是精密儀器及瞄準(zhǔn)技術(shù)專家。在此期間，吳博士曾獲得部委級科技進(jìn)步二等獎與三等獎各一次，是陜西省青年科技新星。2013年，吳易明作為單位內(nèi)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人獲得國家科技進(jìn)步特等獎（集體獎）一項(xiàng)。

▲ 西安中科光電創(chuàng)始人吳易明簡介

2013年，在中科院西安光機(jī)所、西科天使的支持下，西安中科光電精密工程有限公司（以下簡稱中科光電）正式成立。作為面向智能制造、國防裝備領(lǐng)域的企業(yè)，中科光電專業(yè)從事智能機(jī)器人產(chǎn)品開發(fā)及技術(shù)服務(wù)。

2016年，中科光電參與由西安交通大學(xué)梅雪松教授牽頭，聯(lián)合高校、航空航天央企用戶等單位組成的項(xiàng)目組，獲得重大專項(xiàng)課題的項(xiàng)目支持，吳易明博士團(tuán)隊(duì)結(jié)合課題需要，采用現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論方法，構(gòu)建了一種全新的智能理論架構(gòu)，借助立體視覺傳感手段，解決了任意人造立體對象的精細(xì)視覺識別問題，使機(jī)器在不需要數(shù)據(jù)訓(xùn)練的情況下能夠“理解"物理空間中的物體對象、以及對象精細(xì)特征的含義。

隨著理論和技術(shù)應(yīng)用研究的深入，吳博士認(rèn)識到點(diǎn)式的技術(shù)突破需要有新的理論基礎(chǔ)做指引。2019年之后，吳博士研究的重點(diǎn)工作就轉(zhuǎn)向了認(rèn)知科學(xué)、心理學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)、數(shù)學(xué)等方面，并對“智能"、"信息"、"識別“等智能科學(xué)領(lǐng)域的基本概念進(jìn)行了深入思考和清理。2021年初，吳博士初步提出以“具身認(rèn)知"為指導(dǎo)的推動智能科學(xué)發(fā)展進(jìn)階的新范式。2021年10月，結(jié)合斯坦福大學(xué)李飛飛教授發(fā)表文章的內(nèi)容，吳博士團(tuán)隊(duì)確認(rèn)在當(dāng)下智能科學(xué)發(fā)展新階段，可以以“具身智能"命名并構(gòu)建基礎(chǔ)理論體系。

西安中科光電基于具身智能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)突破，形成了的智能機(jī)器人解決方案，面向離散制造場景中的搬運(yùn)、裝配、檢測、打磨、焊接、機(jī)床協(xié)作等任務(wù)，自主執(zhí)行工藝工序任務(wù)，實(shí)現(xiàn)真正的“工業(yè)4.0"生產(chǎn)模式。結(jié)合目前的技術(shù)和應(yīng)用進(jìn)展，五年內(nèi)會推出具有多任務(wù)適應(yīng)能力的“手-眼"協(xié)作智能機(jī)器人產(chǎn)品；十五年左右時間內(nèi)，用于工業(yè)生產(chǎn)的擬人化（人形）通用機(jī)器人將普及。

有時候，過于前衛(wèi)的技術(shù)理念往往不容易被理解。吳博士表示，“2019年當(dāng)我們將基本理論打通，講給別人聽的時候，別人不僅聽不懂，也不愛聽。于是，2019年后，在繼續(xù)深化理論研究的同時，我們又花了三年的時間，投入7000萬資金將智能焊接機(jī)器人做了出來。如今，我們的底層科學(xué)原理和技術(shù)成果已逐漸被學(xué)術(shù)界接受和認(rèn)可，科研成果也在逐步進(jìn)行商業(yè)化落地。目前，產(chǎn)品主要應(yīng)用于離散型智能焊接、智能檢測、特種機(jī)器人三大領(lǐng)域。"

據(jù)了解，西安中科光電款通用智能焊接機(jī)器人產(chǎn)品已批量投放客戶現(xiàn)場，而智能檢測機(jī)器人產(chǎn)品已在定義過程中。智能焊接機(jī)器人基于3D視覺傳感信息，可智能識別任意工件的點(diǎn)云，并自主規(guī)劃焊接路徑、實(shí)時焊縫跟蹤，實(shí)現(xiàn)了焊接過程閉環(huán)精準(zhǔn)控制，并能對焊縫形貌質(zhì)量進(jìn)行自主檢測和評價。實(shí)現(xiàn)了“像人一樣看、像人一樣焊、像人一樣檢"。真正實(shí)現(xiàn)了“人工智能"賦能下的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用。

▲ 西安中科光電智能焊接機(jī)器人工作站

也就是說，在擁有數(shù)據(jù)模型的前提下，該智能焊接機(jī)器人清楚地知道自己焊接的零件此時此刻的狀態(tài)是什么，并且能夠根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)自主規(guī)劃出下一步的焊接路徑，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)真正的智能化加工。

目前，該“同人"智能焊接機(jī)器人系列已根據(jù)場景及加工規(guī)格的不同，衍生出固定式智能焊接工作站、地軌式智能焊接工作站及龍門式智能焊接工作站三大品類。2020年以來，西安中科光電以定制開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品銷售兩種模式，實(shí)現(xiàn)了近20臺套產(chǎn)品在客戶現(xiàn)場的應(yīng)用，客戶群涵蓋橋梁鋼構(gòu)、艦船制造、基建鋼構(gòu)、重型裝備等領(lǐng)域的，包括中船重工、中鐵寶橋、中信重工、中建鋼構(gòu)、中化鋼構(gòu)、中核工業(yè)、西航發(fā)、陜建鋼構(gòu)、等大型央企國企。

▲ 西安中科光電“同人"智能焊接機(jī)器人

據(jù)了解，除大規(guī)模B端客戶外，中科光電也計劃在未來針對小型B端客戶推出智能焊接機(jī)器人租賃服務(wù)。吳博士表示，“很多小型工廠需求有限，產(chǎn)值也有限，人工方面30人能干，50人也能干。這種情況下，我們可以在每個城市附近開設(shè)一家共享工廠，通過來料加工實(shí)現(xiàn)對零散需求的合理覆蓋。

談及公司愿景，吳博士表示，中科光電首先是希望服務(wù)于國家需求，與此同時，中科光電也將致力于改造生產(chǎn)模式，成為工業(yè)4.0時代的智能機(jī)器人領(lǐng)域的，進(jìn)而提升人類的生活品質(zhì)。

2022年元月，西安中科光電完成了數(shù)千萬元人民幣的Pre-A輪融資，本輪融資分別由東方嘉富、鹽南興路產(chǎn)業(yè)基金、上海眾合/風(fēng)潤智能、寧夏正和等共同投資完成。據(jù)了解，本輪融資后，西安中科光電將進(jìn)一步加大技術(shù)研發(fā)投入和產(chǎn)能擴(kuò)張，加速專業(yè)人才梯隊(duì)建設(shè)，鞏固擴(kuò)大良好的發(fā)展態(tài)勢。