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【深度】AI机器人引燃 “第四次工业革命”的导火索

2016-08-05 09:05
苏子言岁月
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  里程碑式的进展主要包括:

  ·IBM的超级电脑程序“深蓝”于1997年击败国际象棋大师加里卡斯帕罗夫。该公司研究的自动问答系统,于2011年2月在美国最受欢迎的智力竞答电视节目《危险边缘》中战胜了人类冠军。

  ·自2012年开始,深度卷积神经网络在多项国际著名的评测比赛(如视觉物体识别、人脸识别与交通标志识别)中,达到甚至超过人类的识别能力。深度监督学习成为机器视觉、语音识别与文本理解的主流方法。

  ·计算引擎与人工智能芯片快速发展,IBM于2014年推出的TrueNorth类脑芯片,集成了100万个发放神经元,具有2.56亿个突触连接,但功耗仅为63毫瓦,正有力地推动非冯诺依曼新体制计算机的革命性发展。

  ·IBM沃森医生,结合深度学习后获得了更强的数据分析与挖掘能力,在某些细分疾病领域已能提供顶级医生的医疗诊断水平。

  ·目前的社交新媒体和互动平台中,AI聊天机器人和AI虚拟助手,正在崛起。例如微软的Tay和小冰聊天机器人,Facebook的 Messenger,基于IBM沃森开发的Jill Watson助教机器人,以及Apple的Siri语音助手,Amazon的 Alexa智能助理和微软的Cortana等。

  ·谷歌DeepMind分别于2015年2月和2016年1月,在《Nature》上发表的深度Q-网络(DQN)和人工智能围棋程序AlphaGo,提出并见证了深度再励学习的惊人能力,其中DQN在49种Atari像素游戏中,29种达到乃至超过人类职业选手的水平,AlphaGo以4:1完胜世界围棋冠军李世石职业九段。

  发展AI机器人:

  重塑我国传统制造业和现代服务业

  随着人工智能(AI)与机器人、大数据、云计算、(移动)互联网、物联网、虚拟现实等的深度融合,人工智能技术与产业开始扮演着基础性、关键性和前沿性的核心角色。AI机器人正逐步获得更多的感知与决策能力,变得更具自主性、环境适应能力更强。

  “互联网+”时代的智能服务与智慧生活,也开始体现出更加接近人类水平的用户体验和更加自然的人机交互、人机协作与人机共融的发展趋势。与此同时,AI机器人的应用范围从制造业不断扩展到家庭、医疗、康复、娱乐、教育、军事、空间、航空、地面、水面、水下、极地、核化、微纳操作等专业服务领域,人工智能开始占据现代服务业的核心地位,并不断渗入人们的日常生活。

  总之,人工智能的学术与产业距离正不断缩短,人工智能与机器人之间已变得密不可分。以环境适应性为标志的人工智能技术,高度体现了新一轮产业变革的主要特征。由此进化出的AI机器人,则有可能推动本世纪最重要的“第四次工业革命”,带来深刻的社会变革。始自18世纪末的工业革命,先后经历了机械化与电气化时代,人们发明了蒸汽机车、机床、起重机、收割机、缝纫机等,这些机械设备的发明旨在减轻人类的体力劳动。从20世纪中后期开始的信息革命,通过“信息技术+”,引发传统机械设备的升级换代,带来了诸如电冰箱、洗衣机、机械臂和自动导引车(AGV)等机电一体化产品。

  与机床等制造业中的传统机械设备相比,机械臂更具通用性,它的多关节机械手,由于模仿人类的手臂,表现出多功能的特征,即一类机器可以从事多项不同的工种,如焊接、喷漆与搬运等,其中的可编程示教的控制器,使机械臂能够适应不同的工作流程。

  这类具有操作或移动能力的通用机器又称为机器人,在体系结构上可划分为三个层次:

  一是传感器及其感知智能(基于摄像头、激光雷达、毫米波雷达、超声、红外、麦克风阵列、力觉传感器、触觉传感器、GPS、IMU、编码器等的分类与理解;模拟人类的感官及视听觉通路等;物理空间至信息空间);

  二是认知智能(决策、规划、推理、经验与知识学习;模拟人脑皮层前额叶等;信息空间至物理空间);

  三是执行机构(移动、操作机构;模拟人类的四肢;信息空间至物理空间)。

  它们根据智能程度与反馈的信息粒度及层级,形成多个闭环。因此机器人是一个典型的信息-物理系统(cyber-physical system,CPS),其上述三个组成部分正好对应于人工智能的三个主要研究方向。

  第一代机器人,是指以传统工业机器人为代表的机电一体化设备,关注的重点是移动或操作功能的实现,使用了一些简单的感知设备,如关节编码器、磁条/磁标传感器等。研发重点是机构设计、驱动、运动控制、规划、导航与传感信息处理等。强调机器的通用性与轨迹跟踪精度,智能程度较低。

  制造领域的代表性产品是六自由度机械手、SCARA平面关节式机器人和磁条导引AGV,服务业中的成功案例为无人机(循线跟踪)。

  这类机器通过示教编程或循线跟踪,仅能在工厂等封闭的结构化环境中,替换某些工位或工种设定的简单及重复性工作。“机器换人”的替代率约为5%。

  第二代机器人,也称之为AI机器人,其特点是具有部分环境感知、决策、规划与自主导航能力,特别是具有视觉、行为、语音与文本等模式识别与自然交互能力,因而具有较强的自主性和环境适应性(即弱人工智能)。在机构设计方面,则更加强调操作的灵巧与移动的灵活,以及安全、高效与节能等。核心是需要获得部分环境感知与决策等人工智能能力。

  在制造业中,目前已有美国Rethink Robotics公司的Baxter(2013)和Sawyer(2015)人机协作机器人、瑞士ABB公司的 YuMi双臂机器人,以及丹麦Universal公司的UR系列机器人等。

  服务业中的成功案例是美国iRobot 公司的Roomba家用清扫机器人(2014年实现营收55.68亿美元),美国Intuitive Surgical公司的达芬奇外科手术机器人(2014年全球装机容量达3840台,手术案例53万,实现营收27.4亿美元),以及Boston Dynamics公司一系列具有高机动性的先进腿式移动机器人(例如新一代Atlas、大狗和猎豹等)。

  总之,具有环境适应能力的第二代AI工业机器人,实现制造业中的“机器换人”,可替换工序高达60%。形成全机器闭环后,甚至可实现完全无人的智能制造。

  随着以深度学习为主要标志的弱人工智能的迅猛发展,在大数据的支撑下,机器视觉与语音识别能力要接近人类水平,面向某些制造业的大规模“机器换人”才有可能实现,其对制造业的经济贡献将是传统工业机器人的数十倍。

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