图源:Negro Elkha - stock.adobe.com

 

如果机器人技术和蜂窝通信的搭配看起来感觉很奇怪,那是因为有了第五代无线技术,即5G技术。

 

5G是第一个以无线方式满足此类应用需求的技术,而不是像前几代技术一样仅仅只是提高数据传输速率和扩大覆盖范围。在全球范围内对这些技术进行规范的国际电信联盟(ITU)将这一雄心勃勃的标准称为IMT-2020,而这一标准将通过彻底改变蜂窝网络的构建方式、它们可以连接的设备、它们的工作频率以及它们所服务的应用,来实现其目标。


第五代无线技术将为新一代机器人铺平道路,其中一些机器人可以通过无线而不是有线通信链路自由控制漫游,同时还能利用庞大的云计算能力和数据存储资源。有了这些能力,就可以近乎实时地对机器人进行精确的动态控制,并将其连接到本地和全球的人员和机器。简而言之,5G技术将完全支持“未来工厂”之类的应用,以及许多以前不具备蜂窝技术和机器人技术能力的应用。

 

还需要人类吗?

如今,围绕机器人及其如何与人工智能(AI)一起联手统治世界存在许多争论,其中包括一些认为人类命运前景严峻的争论。机器人的拥护者们认为,机器人只是作为人类的补充,用于执行某些人类并不擅长的功能,并不会代替人类。但另一方面,也有一些人认为机器人可能会代替制造业和其他行业中的人类,从而消除数百万个工作岗位。机器人最终会不会凌驾于人类之上还有待观察,但是5G技术几乎可以肯定会让机器人比以往更高效地运行,并为更多应用提供服务。

 

机器人在制造领域已经无处不在,汽车行业也许是其中最明显的例子。其他关键应用示例包括工业和医疗。5G的创新将进一步扩展机器人的能力,以至于有必要扩大对机器人的定义。所以自动驾驶汽车属于机器人,它们执行各种各样传感器发出的指示来做出决策并执行各种功能,很可能比人类要准确、可靠和快捷得多。旋翼机和其他无人机也属于这一类机器人。

 

要了解5G与机器人之间的协作,医疗保健领域就是最好的例子,机器人在这一领域潜力巨大。

 

借助5G通信和云技术,机器人不仅可以执行日常任务,例如:

 

在医院内将物品从一个地方转移到另一个地方,而且还可以实现由医生远程精心安排并由机器人在本地执行的远程外科手术。这种手术在2001年一次被称为“Operation Lindbergh”的活动中首次得到了展示。当时一位名为Jacques Marescaux(1948–)的内分泌外科医生坐在美国纽约市的一个控制台上对一名位于法国斯特拉斯堡(约6200公里外)的患者执行了胆囊摘除手术。

 

图1:用于个人或医疗用途的无人机出租车示例图

(图源:chesky / stock.adobe.com)

 

将时间推移到2025年左右,想象一下,那时候在一家医院的手术室中,机器人和人类利用5G技术通过云连接到地球上任何地方的外科医生,并由他们精心安排手术程序。同时,位于一个或多个地点的专家可以实时提供他们的专业知识来协助外科医生。尽管这看起来已经很神奇了,但这仅仅是个开始:使用虚拟现实(VR)和无处不在的云,还有可能将成像扫描转换为患者的虚拟三维(3D)表示。

 

然后,使用这种“数字克隆”,外科医生远程精心安排患者的虚拟化手术,同时由一台或多台机器人执行实际手术。医生将会有一种虚拟却又可以触及的“体验”,因为骨骼、组织和器官都会有不同的“触感”。尽管可能无法在十年内全面实现远程手术,但随着5G和机器人技术的成熟,远程手术将继续逐步向前发展。

 

为何现在无法实现?

除了实现远程手术和其他下一代机器人应用所需的机器人和整个“生态系统”仍处于起步阶段之外,当前的4G网络也根本不具备使其成为可能的特性。也就是说,由于它们实际上需要瞬时响应时间,因此必须将“延迟时间”的指标降低到前所未有的水平。延迟时间基本上是指从通信链路中某一点开始输入,到从另一点无误返回输入之间的时间跨度。对于未来的机器人而言,低延迟对于以机器为中心的高可靠性通信至关重要。

 

图2:外科医生可能会在机器人实际做手术时使用VR进行指导

(图源:Gorodenkoff / stock.adobe.com)

 

当前的4G长期演进(LTE)蜂窝网络具有大约50ms的往返延迟时间,但要使机器人之类的应用成为可能,5G标准认识到将需要小于1ms的延迟时间,而这是一项巨大的技术挑战。与将延迟时间降低到如此之低的水平相比,5G承诺的其他优势(例如云计算和提高数据传输速率)相对比较“简单”,因为它面对的是不变的物理定律。

 

要理解这一点,请考虑真空中电磁辐射的速度为3 x 108m/s。因为地球的大气层并非真空状态,由于大气的存在,会导致这一最高速度小幅下降。但是,再考虑到一些其它因素,包括信号必须通过的光纤、地面和卫星通信链路以及电子设备和连接器,传播速度会大幅降低。结果是,A点和B点之间的物理距离越短,延迟时间就越短。这就是5G打算将这一指标降低到<1ms的方式。

 

5G将要求集体形成云的数据中心在地理上的密度大幅增加,因为一个位置的数据中心可能与大多数其他位置的数据中心相距太远,无法将延迟时间降低到可接受的水平。这种增加,再加上大于1Gb/s的数据传输速率和使用新的蜂窝频率(比目前使用的频率高一个数量级),将是使1–100km的范围内延迟时间<1ms必不可少的重要条件。

 

未来工厂

5G将在打造未来工厂中发挥至关重要的作用。未来工厂是另一种要求延迟时间小于1ms的应用。结合云中几乎无限的数据处理和存储能力,5G通信将使下一代制造环境中的机器人能够做的事比今天要多得多。机器人将能够在其自身和工厂员工之间交换大量信息,从而彻底改变“车间”以及其他支持5G的设备,例如可穿戴设备以及增强现实(AR)之类的技术。

 

图3:经理工程师正在控制和检查智能工厂中的自动化机器人。

(ShutterStock/Fit Studio)

 

随着机器人变得可移动并能够与人互动,生产力、产品质量和操作员安全性将得到显著提高。为了在整个未来工厂中保持极低的延迟时间,必须高度依赖网络中的边缘计算。边缘计算将智能和功能带到了实际应用所在的网络“边缘”,类似于几十年前实现的分布式计算。

 

田间机器人

5G和基于GPS的定位与导航将会释放机器人的潜能,让它们能够执行目前无法执行的功能。例如,在农业领域,机器人可以在田野中漫步,监视作物生长状况,并将视频和其他传感器信息发送回几乎任何地方的计算机,甚至可以执行农药喷洒、修剪和收割等活动。一家名为FFRobotics的公司开发了一种新鲜水果机器人收割机,该收割机将机器人控制与图像处理软件算法相结合,使机器人能够找到并区分可出售和受损的产品以及既非未成熟也非腐烂的水果。

 

一项名为高通量植物表型分析(HTPP)的技术结合了遗传学、传感器和机器人,可用于开发新的农作物品种,以及提高营养成分和对环境条件的耐受性。这项技术使用机器人上的传感器来测量各种特征并将结果发送给可能位于任何地方的科学家进行分析。现在正在开发其他一些机器人来种植和追踪种子,以提高人们的耕种效率,以及农业许多其他方面的效率。将来,许多农业工作都可能由远程控制的机器执行。

 

图4:尽管这不是机器人的常规样子,但它的确是机器人,这台拖拉机可以在5G指挥下穿越田野,用一个控制器就可以监督多台拖拉机。(ShutterStock/Scharfsinn)

 

请记住,5G不会在一夜之间就彻底改变机器人技术,因为实现机器人的许多应用和技术目前都还处于萌芽状态、正在开发中或者只是在设计图纸上。我们应该将5G视为电信新时代的开始,首次全面支持机器人和许多其他应用。此外,移动机器人距离成熟的技术还有很长的路要走,可能需要花费数年的时间才能将其大规模部署到从制造和生产到农业、搜索和救援任务、大范围搜索和救援任务以及许多其他应用。

 

5G将需要在网络的各个方面进行颠覆性创新,从毫米波通信系统的开发到软件定义的虚拟网络架构以及新的无线访问方法,从而使许多机器人可以在较小的区域内互不干扰地工作运行。延迟时间是最重要的,研究人员必须设法将延迟时间减少到几乎没有。