陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略研究

黃強，孟非，余張國，林德福，徐彬，朵英賢

（北京理工大學(xué)，北京 100081）

一、前言

黨的“十九大”明確提出建設(shè)科技強國、數(shù)字中國、智慧社會的宏偉目標(biāo)。習(xí)近平總書記在2014 年兩院院士大會上指出，機器人是制造業(yè)皇冠頂端的明珠，其研發(fā)、制造、應(yīng)用是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。

在國家政策的大力支持下，目前我國機器人及智能系統(tǒng)技術(shù)正得到飛速發(fā)展，工業(yè)機器人、服務(wù)機器人、特種機器人的研究和產(chǎn)業(yè)已經(jīng)非常成熟，但是這些機器人及智能系統(tǒng)都難以適應(yīng)人類居住的陸空立體環(huán)境，難以滿足多任務(wù)需求。

陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)是能夠適應(yīng)陸空環(huán)境，具有多模態(tài)特征，具有高級智能，能夠協(xié)同完成復(fù)雜任務(wù)的機器人及智能系統(tǒng)。陸空環(huán)境指以城市為代表的500 m以下空間，包括道路、建筑物、非結(jié)構(gòu)地形、低空等；多模態(tài)特征指輪式、腿足、爬行、飛行等運動模式，包括單機器人運動模式可變，以及多機器人組合變形等；高級智能指自主智能、多體協(xié)同智能、人機交互智能等；復(fù)雜任務(wù)包括災(zāi)害救援、立體交通等。陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)在社會各領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，是促進(jìn)全球科技、社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動能。

陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)將成為第四次工業(yè)革命的技術(shù)突破口，將引起人類社會的革命性變革。以蒸汽機為代表的第一次工業(yè)革命開創(chuàng)了蒸汽時代，以電力大規(guī)模應(yīng)用為代表的第二次工業(yè)革命開創(chuàng)了電力時代，以計算機技術(shù)為代表的第三次工業(yè)革命開創(chuàng)了信息時代，而目前以機器人和人工智能為代表的第四次工業(yè)革命將引領(lǐng)人類進(jìn)入智能時代。陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)能夠完成一些通常需要人類智能才能完成的復(fù)雜工作，隨著其技術(shù)不斷發(fā)展與成熟，必將帶來人類社會的革命性變革。

陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)是智慧社會的基石，將帶來開啟智慧社會、激發(fā)人工智能的“頭雁效應(yīng)”。未來的智慧社會必將是信息網(wǎng)絡(luò)泛在化、基礎(chǔ)設(shè)施智能化、產(chǎn)業(yè)發(fā)展數(shù)字化、社會治理精細(xì)化、普惠服務(wù)便捷化的狀態(tài)。在智慧社會，人類將能夠利用智能機器人技術(shù)構(gòu)建全新的社會系統(tǒng)，各行各業(yè)通過智能機器人的應(yīng)用可能產(chǎn)生巨大的業(yè)態(tài)變化，越來越多的職業(yè)崗位將被智能機器人所替代，人類將迎來人機共生、人機共融的時代。在這種發(fā)展動力驅(qū)動下，多模態(tài)智能機器人科學(xué)技術(shù)必將產(chǎn)生未來科技引領(lǐng)的“頭雁效應(yīng)”。

二、陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀分析

近年來，機器人及智能系統(tǒng)受到各國高度關(guān)注，爭相出臺相關(guān)政策，重點支持相關(guān)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展 [1]。目前，陸地、空中機器人及智能系統(tǒng)理論與裝備都較為成熟，但是能夠同時適應(yīng)陸空環(huán)境的機器人及智能系統(tǒng)在社會各領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，是未來的必然發(fā)展方向，受到世界各國越來越多的重視 [2]。我國的地面、空中機器人及智能系統(tǒng)與美歐存在較大差距，但是陸空協(xié)同機器人系統(tǒng)各國都還處于起步階段，具有超越可能。目前陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人理論與關(guān)鍵技術(shù)還沒有形成體系，因此我國需要提前布局，搶占制高點。

（一）國外發(fā)展現(xiàn)狀

機器人及智能系統(tǒng)是全球科技競爭的戰(zhàn)略焦點，各發(fā)達(dá)國家競相制定機器人發(fā)展重大戰(zhàn)略，重點支持相關(guān)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。美國2017年推出了《國家機器人計劃》2.0版本[3]，目標(biāo)是建立美國在下一代機器人技術(shù)及應(yīng)用方面的領(lǐng)先地位。俄羅斯發(fā)布了《俄羅斯 2030 年前國家人工智能發(fā)展戰(zhàn)略》，目標(biāo)是使其機器人居于世界領(lǐng)先地位，以提高人民生活質(zhì)量，確保國家安全[4]。歐洲出資 28億歐元，創(chuàng)立世界上最大的民間資助機器人SPARC創(chuàng)新計劃，目標(biāo)是機器人充分進(jìn)入人類生活[5]。日本政府發(fā)布《機器人新戰(zhàn)略》[6]，成立“機器人革命協(xié)議會”，要繼續(xù)保持其“機器人大國”的優(yōu)勢地位。

能夠同時適應(yīng)陸空環(huán)境的機器人及系統(tǒng)在社會各領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，是未來的必然發(fā)展方向，各國都在加大投入以取得戰(zhàn)略優(yōu)勢。美國機器人及智能系統(tǒng)技術(shù)處于領(lǐng)先地位，系統(tǒng)與裝備已進(jìn)入實用化。折疊翼式Transition兩棲平臺被譽為“世界上第一款真正意義上的飛行汽車”，其由美國Terrafugia 公司設(shè)計制造，是一種相當(dāng)成熟的固定翼式飛行器與汽車結(jié)合的工業(yè)產(chǎn)品[7]。美國陸用機器人與空中機器人都在互相擴(kuò)展，其大力支持的飛行汽車是一種多功能運兵汽車，目的是進(jìn)行兵力投送、人道主義援助、自然災(zāi)害救助等任務(wù)[8]。

（二）國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國將智能制造與機器人項目納入面向2030 年的新一輪國家重大專項，并推出了“機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）”[9]。明確要解決制約我國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題，實現(xiàn)我國機器人技術(shù)與產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)的自主可控，從而支撐智能機器人產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

目前機器人及智能系統(tǒng)相關(guān)的飛行器、無人車等都較為成熟，相關(guān)學(xué)科體系也較為成熟，并形成了完備產(chǎn)業(yè)鏈，但是陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)相關(guān)理論技術(shù)屬于新興學(xué)科和交叉學(xué)科，其內(nèi)容覆蓋機械工程、控制科學(xué)與工程、計算機科學(xué)與技術(shù)、兵器科學(xué)與技術(shù)、材料科學(xué)與工程、信息與通信工程、光學(xué)工程、化學(xué)工程與技術(shù)等學(xué)科，同時依賴于新型學(xué)科交叉融合創(chuàng)新。目前陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人理論與關(guān)鍵技術(shù)還沒有形成體系，因此我國需要提前布局，占領(lǐng)制高點。

陸空協(xié)同機器人系統(tǒng)是國外限制的核心技術(shù)之一，必須構(gòu)建自主體系系統(tǒng)發(fā)展。2018年，美國商務(wù)部宣布禁止對中國出口人工智能（AI）、機器人等14 類代表性新興技術(shù)。2019年，美國針對機器人與系統(tǒng)的地圖、軟件、高精度光學(xué)感知器件再次禁止出口有關(guān)技術(shù)。2020年6月，美國限制中國香港獲得機器人、AI等高科技技術(shù)及產(chǎn)品。高端機器人核心部件被日本、美國、歐洲等國家和地區(qū)的公司壟斷，并且高端型號對中國禁售。國內(nèi)機器人所研制的伺服電機、減速器、伺服控制器、傳感器等關(guān)鍵部件的性能指標(biāo)遠(yuǎn)低于國際領(lǐng)先水平，70%以上元器件依賴進(jìn)口[10]。國外研制的先進(jìn)機器人多采用定制部件，根據(jù)系統(tǒng)性能提出部件指標(biāo)需求，進(jìn)行定制開發(fā)。我國的機器人研究多是工業(yè)部件的拼裝模式，平臺性能受限于部件性能，核心部件與國外存在代差，是智能機器人部件的“卡脖子”問題。因此我國亟需構(gòu)建從部件到系統(tǒng)的自主體系，解決“卡脖子”問題。

陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)的發(fā)展可以從感知、融合、決策等理論技術(shù)，執(zhí)行、計算等關(guān)鍵零部件，仿生、多域、重構(gòu)、協(xié)同等平臺系統(tǒng)和多場景的應(yīng)用來解決智能機器人的“卡脖子”問題，打破國外對我國高端機器人的限制和封鎖。

我國的地面及空中機器人與美歐存在較大差距，但是陸空協(xié)同機器人系統(tǒng)還處于同一水平，具有超越可能。我國在該領(lǐng)域的研究近幾年也取得了豐碩成果。北京理工大學(xué)近年來研究了基于縱列雙涵道的水陸空多域機動載運車輛，集成了水面高速行駛、陸地高機動性行駛和空中多自由度可控機動行駛的三大主要功能，可以實現(xiàn)在各種氣候條件以及復(fù)雜地形、交通狀況下的綜合高效機動運送能力 [11]。陸空協(xié)同機器人系統(tǒng)國內(nèi)外研究都剛剛起步，處于同一水平，我國具有超越可能。

三、我國陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)發(fā)展存在的問題

我國目前對機器人及智能系統(tǒng)發(fā)展極為重視，出臺了多項國家重大政策進(jìn)行支持。我國機器人的擁有量已超越機器人的先發(fā)國家，成為世界第一。但是對于陸空多模態(tài)機器人系統(tǒng)發(fā)展仍然存在問題。

（一）缺乏陸空多模態(tài)機器人系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃與支持

我國目前機器人及智能系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃主要支持的是工業(yè)機器人、服務(wù)機器人、特種機器人等類型的機器人研究，這類機器人只能面向單一運動場景或任務(wù)，不具有廣泛適用性。陸空多模態(tài)機器人系統(tǒng)在未來社會各領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，是未來智慧社會的重要組成部分，美國、歐洲等制定了多項戰(zhàn)略開展研究，并開展了多項計劃，我國亟需構(gòu)筑在該領(lǐng)域的先發(fā)優(yōu)勢，實現(xiàn)戰(zhàn)略引領(lǐng)。

（二）陸空多模態(tài)機器人核心部件成為“卡脖子”問題

核心部件是制約機器人及智能系統(tǒng)性能的根本，目前我國在高端機器人系統(tǒng)驅(qū)動感知核心部件方面與國際領(lǐng)先水平存在的差距較大，高端部件被國外嚴(yán)重限制。國內(nèi)機器人所研制的關(guān)鍵元件的性能指標(biāo)遠(yuǎn)低于國際領(lǐng)先水平，主要元器件依賴進(jìn)口 [12]。同時陸空多模態(tài)機器人核心部件沒有形成類似于汽車、飛機等成熟的產(chǎn)業(yè)鏈體系，工業(yè)部件性能與機器人系統(tǒng)需求不相符。

（三）沒有形成從理論研究到裝備與應(yīng)用的全鏈條

機器人及智能系統(tǒng)理論技術(shù)研究與裝備應(yīng)用需求連接不夠緊密，需要面向國家戰(zhàn)略，提出應(yīng)用需求目標(biāo)，攻克相關(guān)技術(shù)。高校、研究所的研究與裝備研制單位、系統(tǒng)應(yīng)用單位缺少溝通，相關(guān)技術(shù)取得突破后，在裝備上取得應(yīng)用的周期過長，平臺功能設(shè)計沒有與應(yīng)用需求有機結(jié)合。因此應(yīng)該采取從基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)集成、裝備研制、成果轉(zhuǎn)化到產(chǎn)業(yè)化的“全鏈條”發(fā)展模式。瞄準(zhǔn)前沿學(xué)術(shù)創(chuàng)新，學(xué)科交叉融合，產(chǎn)出原創(chuàng)性成果；瞄準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，做好產(chǎn)品布局，形成可持續(xù)發(fā)展能力。

（四）人工智能與機器人硬件系統(tǒng)缺乏有機結(jié)合

目前人工智能偏向于計算機專業(yè)，僅限于數(shù)據(jù)處理，沒有和執(zhí)行任務(wù)的機器人及智能系統(tǒng)本體結(jié)合。人工智能無法獨立地應(yīng)對環(huán)境變化，在很多情況下機器人的工作都需要人類監(jiān)督。同時，人工智能的感知能力還比較弱，只是在數(shù)據(jù)處理方面的工作比較有優(yōu)勢，但人工智能的分析和理解能力太弱，比起人類大腦來說對于聚焦相關(guān)信息的能力還差距較大。機器人及智能系統(tǒng)的感知和行動智能研究缺乏，沒有引起足夠重視。

四、陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)與布局

針對陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)的國際發(fā)展形勢和我國目前存在的問題，本文提出陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)發(fā)展目標(biāo)、研究布局和發(fā)展路線圖。

（一）總體目標(biāo)

陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)瞄準(zhǔn)智能科技、先進(jìn)制造和國家安全等國家戰(zhàn)略需求，貫穿理論與關(guān)鍵技術(shù)、核心部件與單元、平臺與系統(tǒng)裝備、以及社會系統(tǒng)應(yīng)用，形成相關(guān)技術(shù)體系、核心部件產(chǎn)業(yè)體系、智能機器人裝備體系以及社會應(yīng)用，從而滿足國家安全和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的戰(zhàn)略需求，引領(lǐng)智慧社會發(fā)展。

（二）發(fā)展布局

陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人的系統(tǒng)理論與關(guān)鍵技術(shù)包括多模態(tài)機器人異構(gòu)重組技術(shù)、機器人協(xié)同任務(wù)實時規(guī)劃、多尺度感知與信息融合、高動態(tài)跨域組織網(wǎng)絡(luò)理論、智群協(xié)作與對抗在線決策等。

陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)核心部件與單元包括高爆發(fā)驅(qū)動、高密度能源、剛?cè)嵋惑w化關(guān)節(jié)等執(zhí)行部件與單元；仿生感知單元、自主導(dǎo)航、多維度通信等感知部件與單元；計算單元、智能芯片、網(wǎng)絡(luò)運算系統(tǒng)等智能部件與單元。

平臺與系統(tǒng)裝備包括人型、四足動物、蛇、小型昆蟲等仿生機器人；地面機動、飛行器等陸空多域機器人；單平臺模態(tài)可變、多平臺組合變形的機器人系統(tǒng)等重構(gòu)機器人；陸空協(xié)同多機器人通信與指控系統(tǒng)、人機智能融合的協(xié)同控制系統(tǒng)等。

系統(tǒng)應(yīng)用包括組成機器人無人班組，對城市進(jìn)行安全維護(hù)；在地震或核泄漏等災(zāi)后，替代人進(jìn)入危險環(huán)境作業(yè)；構(gòu)建智慧城市立體交通系統(tǒng)，提高人們出行效率等災(zāi)害救援和立體交通應(yīng)用。

（三）發(fā)展路線

1. 近期目標(biāo)（2025年）

突破多模態(tài)機器人異構(gòu)重組、復(fù)雜環(huán)境建模與識別、機器人自主狀態(tài)檢測與估計等關(guān)鍵技術(shù)。研制高爆發(fā)驅(qū)動、高密度能源、剛?cè)嵋惑w化關(guān)節(jié)等執(zhí)行部件與單元，自主導(dǎo)航、多維度通信等感知部件與單元，計算單元、網(wǎng)絡(luò)運算系統(tǒng)等智能部件與單元。研制仿人型、四足動物、蛇、小型昆蟲等仿生機器人；地面機動、飛行器等陸空多域機器人平臺；陸空協(xié)同多機器人通信與指控系統(tǒng)。核心部件與單元實現(xiàn)80%自主可控，平臺與系統(tǒng)裝備技術(shù)成熟度達(dá)到6級，實現(xiàn)多平臺自主協(xié)同任務(wù)演示。

2. 中期目標(biāo)（2030年）

突破機器人協(xié)同任務(wù)實時規(guī)劃、多尺度感知與信息融合、惡劣環(huán)境生存與可靠性設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)。研制生物能驅(qū)動等執(zhí)行部件與單元，仿生感知等感知部件與單元，智能芯片等智能部件與單元。研制單平臺模態(tài)可變、多平臺組合變形的重構(gòu)機器人系統(tǒng)；人機智能融合的協(xié)同控制系統(tǒng)。核心部件與單元實現(xiàn)100%自主可控，平臺與系統(tǒng)裝備技術(shù)成熟度達(dá)到8級，實現(xiàn)災(zāi)害救援、立體交通等典型應(yīng)用演示驗證。

3. 長期目標(biāo)（2040年）

突破高動態(tài)跨域組織網(wǎng)絡(luò)理論、智群協(xié)作與對抗在線決策等技術(shù)，研制執(zhí)行、感知、智能融合的部件與單元，研制機器人智能無人班組，形成機器人核心部件的產(chǎn)業(yè)體系和智能機器人裝備體系，實現(xiàn)社會的廣泛應(yīng)用。

五、陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)發(fā)展建議

針對我國陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)發(fā)展的總體目標(biāo)和布局，本文提出如下具體發(fā)展建議。

（一）面向國家戰(zhàn)略需求，制定陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)總體發(fā)展規(guī)劃，搶占制高點

圍繞相關(guān)國家戰(zhàn)略，由主管部門制定《陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)發(fā)展政策指南》等文件，對陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)行頂層設(shè)計與整體規(guī)劃。著眼形成涵蓋前沿基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù)、裝備/產(chǎn)品開發(fā)到成果轉(zhuǎn)化的科技創(chuàng)新全產(chǎn)業(yè)鏈條，通過與國內(nèi)外高水平研究機構(gòu)、行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)等組成“產(chǎn)學(xué)研用”聯(lián)合體，有效匯聚協(xié)同創(chuàng)新戰(zhàn)略資源力量，探索有效的協(xié)同機制，形成資源優(yōu)勢互補的協(xié)同發(fā)展模式；通過重大需求牽引持續(xù)開展系統(tǒng)研究，推動我國基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究及其關(guān)鍵技術(shù)突破，并有效轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)發(fā)展優(yōu)勢，從而滿足國家安全和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展戰(zhàn)略需求，引領(lǐng)智慧社會發(fā)展。

（二）制定核心部件研發(fā)計劃，形成陸空多模態(tài)機器人專有核心部件與單元開發(fā)體系

圍繞陸空多模態(tài)機器人核心部件建立專有研發(fā)體系，形成類似于汽車、飛機等成熟的產(chǎn)業(yè)鏈體系，從系統(tǒng)需求出發(fā)，提出核心部件指標(biāo)，開展系統(tǒng)性研究。構(gòu)建新型行業(yè)體制，保持制度優(yōu)勢，下大決心，堅持長期、穩(wěn)定的研發(fā)投入，助力打贏硬核技術(shù)攻堅戰(zhàn)。建立“卡脖子”核心多模態(tài)機器人部件攻關(guān)過程合作機制，優(yōu)化評價激勵機制，調(diào)動企業(yè)單位參與的積極性。

（三）加強人工智能軟件算法與機器人系統(tǒng)硬件的有機融合，聯(lián)合開展研究計劃

建議發(fā)布關(guān)于軟件智能算法和機器人本體二者并舉的理論及關(guān)鍵技術(shù)研究計劃。加強行業(yè)對機器人本體智能的重視程度，將人工智能與機器人感知、行為智能深度融合，使人工智能研究不僅停留在數(shù)據(jù)處理層面，更能與機器人及智能硬件系統(tǒng)結(jié)合，利用感知與執(zhí)行機構(gòu)，自主應(yīng)對環(huán)境變化，完成復(fù)雜作業(yè)任務(wù)。

（四）充分發(fā)揮各地區(qū)各單位的技術(shù)優(yōu)勢，打通從技術(shù)到產(chǎn)業(yè)化與應(yīng)用的生態(tài)鏈

整合科研院校、高科技企業(yè)等創(chuàng)新資源，開展研發(fā)攻關(guān)、建立共享機制。加強科研單位與上下游企業(yè)深度合作，以核心技術(shù)攻關(guān)能力和工程化集成能力的突破為核心，通過有機協(xié)同領(lǐng)域上下游創(chuàng)新資源，完善機器人及智能系統(tǒng)創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈，構(gòu)建先進(jìn)機器人及智能系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。

（五）培養(yǎng)交叉學(xué)科、新興學(xué)科領(lǐng)域?qū)I(yè)人才隊伍

針對陸空多模態(tài)機器人的基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)，完善領(lǐng)域?qū)W科布局，設(shè)立機器人專業(yè)，推動機器人領(lǐng)域一級學(xué)科建設(shè)，增加機器人相關(guān)學(xué)科方向的博士、碩士招生名額。鼓勵高校在原有基礎(chǔ)上拓寬機器人專業(yè)教育內(nèi)容，重視機器人與數(shù)學(xué)、計算機科學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科專業(yè)教育的交叉融合。加強“產(chǎn)學(xué)研”合作，鼓勵高校、科研院所與企業(yè)等機構(gòu)合作開展機器人學(xué)科建設(shè)。

（六）開展示范性工程建設(shè)

與航天、消防局、地震局等合作，推動陸空多模態(tài)機器人系統(tǒng)航天和救援示范基地建設(shè)，推動中國機器人救援行業(yè)指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)制定。借助我國主導(dǎo)政府間合作戰(zhàn)略與機構(gòu)（“一帶一路”、中非合作戰(zhàn)略、上海合作組織、亞洲基礎(chǔ)設(shè)施投資銀行等）推廣我國陸空多模態(tài)機器人系統(tǒng)技術(shù)與相關(guān)產(chǎn)品，推動中國技術(shù)向全球布局。