机器人技术能否让美国制造业腾飞
美国联邦深信，对制造产业的投资能够助力振兴美国的制造业。将国家资源的一部分投入到制造业，不仅能够获得极高的性价比，而且还能促进资源的高效生产，使得美国消费者受益，并且支持在这个重要经济领域工作的数百万员工。在当前退休人口不断增加的情况下，这样的投资能确保美国经济的持续增长。制造业的研究与发展也将为卫生保健、农业及交通运输业带来益处，同时加强美国的资源、国防及能源安全。在未来五十年里，由此引发的一系列研究活动将极大地提升“美国制造”的质量和生产力。这一理念已经体现在美国主导的“先进制造伙伴关系”（AMP）和“国家制造业创新网络”（NNMI）计划中。
先进的机器人技术与自动化生产的力量：
想象一下，拥有先进的机器人技术和自动化生产，将会为我们带来怎样的变革？
1. 保护国家财富与知识产权：这些技术不仅保障了国家的知识产权和物质财富，促使那些制造业公司选择在本土生产，避免资源流失海外。
2. 制造业的崭新竞争力：机器人与自动化技术让制造业公司如虎添翼，使其在激烈的市场竞争中更具优势。这不仅仅是一个简单的技术更新，更是产业革命的新篇章。
3. 岗位创造的繁荣景象：随着机器人的广泛应用，开发、生产、维护及培训机器人的相关岗位如雨后春笋般涌现，为就业市场注入了新的活力。无论是工程师还是技术专家，都有施展才华的舞台。
4. 人机合作的智慧结晶：机器人团队与人类的合作实现了智慧与灵巧的结合。利用机器人的精度、强度及可重复性，工厂的生产效率和质量都得到了质的飞跃。这种合作方式让人类与机器的优势发挥到了极致。
5. 改善工作环境与健康保障：机器人不仅优化了工作环境，减少了重复性工作带来的疲劳和伤害，还降低了高昂的医疗费用，保障了劳动者的健康与安全。
6. 市场响应速度的加快：随着产品制造时间的缩短，制造商更能迅速响应零售商的需求变化，市场的动态和变化也因此变得更加灵活多样。这不仅是技术的胜利，更是市场策略的精准调整。
机器人及自动化技术在美国制造业乃至整个美国经济中，均扮演着举足轻重的角色。想象一下，在哪些领域，这些技术将大幅度提升生产力，这简直是一幅令人振奋的蓝图。为此，美国的研究与发展路线图正以前瞻性的眼光，引领国家投资聚焦于这些关键领域。
本文重点报道了制造与自动化机器人技术研讨会的相关内容。这场盛会由国家科学基金会支持的“Robotics-VO”组织主办，是更新《美国机器人路线图：从网络到机器人》这一重要文件的五个研讨会之一。此次研讨会的召开，是基于过去四、五年中机器人领域的飞速发展，旨在更新并优化这一路线图。报告中提出的研究计划，不仅将极大地推动美国制造业经济的发展，还将助力培养一支高素质、高技能的生产队伍，创造更多就业机会，为美国经济的再次腾飞注入强大动力。
在这里，“自动化”与“机器人”都有着明确的定义。据电子和电机工程研究所机器人和自动化学会所述，机器人技术是指配备有传感器和促动器的系统，能够与人类进行自动化或半自动化的协作。机器人的研究重点在于其在无序环境中的智能和适应性，而自动化则主要针对有序、结构化环境中长期工作的自动化系统的效率、生产力、质量和可靠性进行研究。
我们的目标具有双重性：一方面，揭示机器人和自动化技术在制造业中的战略重要性；另一方面，通过实际案例展示如何运用这些技术提高生产力。让我们深入探讨这一领域的每一个细节，发现其中的无尽机遇和挑战。
经济的驱动力源自何处？无疑是工业化，而制造业则是其核心所在。机器人和自动化技术正成为这场核心战役中的关键力量。它们不仅重塑着制造业的面貌，更在悄然改变着美国经济的未来走向。让我们共同期待这一领域的辉煌未来！制造业在美国经济中的核心地位
制造业为美国经济贡献了显著的比例。它不仅是国家经济的重要组成部分，更是国家整体健康经济的一个关键标志。该行业不仅为美国创造了12%的GDP，还提供了9%的就业机会。美国制造业的总出口占据了其总出口的七成。其中，机器人产业尤为引人注目，其产业总值已经达到惊人的八十亿美元，并以每年9%的速度稳定增长。这一核心产业得到了制造业的大力支持，为仪器、自动化设施和系统集成等领域做出了巨大贡献，总计达到了惊人的300亿美元的工业总值。
过去的三十年见证了美国制造业经济的深刻变革。尽管与美国存在贸易逆差的国家如加拿大、中国、墨西哥和日本逐渐增多，但制造业仍然是美国经济不可或缺的一部分。从消费电子到工业设备，制造业涵盖了所有物品的生产制造。值得一提的是，美国制造业的生产力已经超越了其主要竞争对手，无论是在单位时间还是单位员工的平均生产力上，美国均位居世界第一。这种生产力持续增长的趋势在过去三十年内尤为明显，生产力已经翻倍。这一增长主要归功于技术的持续创新及其在产品设计和生产过程中的应用。尽管当前中国被认为是制造业的领头羊，但预计到2020年，美国在制造业的产值和生产力方面将重新超越中国。
这种竞争态势并非一成不变。国外的潜在竞争对手正积极开展基础研究和教育以改善其制造业过程。与此美国制造业的成果也在支持科学研究，过去十年间维持了稳定的进步。在全球视角中，美国的研究发展经费已降至仅占三成的水平。面对外国竞争对手使用创新技术和低劳动力成本带来的压力，美国制造业面临着巨大的挑战。随着人口老龄化，工人的数量也在急剧下降。预测显示，到2050年，每两位工人就要供养一位退休工人。机器人工人的发展和应用变得至关重要，它们能够满足在劳动力减少的同时增加工业生产力的需求。未来，机器人与自动化技术的巨大进步将是下一代高附加值产品的关键所在。依赖先进传感器和微电子的纳米尺度嵌入式计算机产业已经不再是劳动密集型产业能够胜任的领域。
与此中国的竞争对手如印度、韩国和日本正在大力投资于高等教育和研究机构。印度和中国都在系统地召回他们在美国培养的科学家和工程师。这些竞争者们已经开始在机器人技术和特定制造领域动摇美国的主导地位。例如，韩国连续十年每年投资一亿美元在机器人技术和教育相关项目上，展示了其对技术进步的坚定承诺和长远视野。美国的制造业必须保持警惕并不断适应这种全球竞争环境的新变化。欧盟投入超过6亿美元研发机器人技术和认知系统，并额外拨款9亿美元支持制造业机器人的地平线计划。日本也计划在未来十年内，向仿人类和服务机器人领域投入三亿五千万美元，旨在成为工业机器人技术的全球领导者，宣布将在未来五年投入10亿美元实现这一目标。相较之下，美国联邦的投资显得相形见绌。
谈及仓储机器人，Kiva Systems的技术在自动化物流中占据重要地位。亚马逊于2012年以7亿美元收购Kiva Systems，将其顶尖技术应用于数据库自动化。苹果和联想采用机器人系统后，不再将亚洲视为降低生产成本的首选之地。过去十年间，中国工人工资涨幅高达340%，而美国工人的工资增长幅度较小。特斯拉在加州开设的高度自动化工厂使其得以继续在美国运营，生产可替代燃料汽车。
美国商务部与美国竞争力委员会分析了各行业的综合年增长率，发现制造业的增长领域包括物流、物料搬运和机器人技术。这些领域的快速发展推动了全球经济的增长。随着技术的不断进步，机器人技术在各个领域的应用将愈发广泛，成为推动经济增长的重要力量。
无论是欧盟、日本还是美国，都在积极投入机器人技术和相关领域的研发，以期在全球科技竞争中占据优势地位。而机器人技术的广泛应用，将为各个国家带来无尽的机遇和挑战。近年来，机器人技术如同燎原之火般迅速扩展至广大消费市场，这一趋势不仅催生了前所未有的创新与成本下降，更带动了众多新兴行业与公司的蓬勃发展。就如同个人计算机和移动通讯技术的崛起一样，机器人技术的广泛应用正在引领着一场技术革命。这些尖端科技最初是为满足企业的特定需求而诞生的，但当它们走进千家万户，市场的广阔使得研发资金大幅增长，从而催生了技术的高速迭代和成本的显著降低。微软开发的Kinect接口就是一个很好的例子，它通过语音和手势互动的功能，成功拓展了家庭电脑游戏市场的新领域。这也预示着机器人技术的消费化将带来类似的影响。随着机器人技术的普及，人们对于机器人的熟悉程度也在不断提高。当人们在日常生活中与机器人频繁互动时，他们在工作中与机器人共事的抵触情绪也会降低。想象一下，拥有iRobot公司生产的自动真空吸尘器Roomba 760的家庭中，许多用户甚至为这些吸尘器取了名字，并乐于带着它们去拜访朋友。这一切都表明，机器人技术的消费化不仅推动了相关产业的飞速发展，也让人们更加接受并喜爱这些智能伙伴。随着科技的进步，我们有理由相信，机器人将在未来成为我们生活中不可或缺的一部分。制造业的未来展望
当今的美国制造业，就如20世纪60年代的数据库技术一样，尚未拥有完善的方法论指导，缺乏科学的创新。历史告诉我们，通过技术的突破和的支持，产业可以迎来巨大的变革。
回忆1970年，IBM的数学家Ted Codd发明了关系代数，这是一个高级数学数据库模型。这项技术得到了美国联邦的资助，并逐渐发展成了如今价值140亿美元的数据库产业。如果为制造业打造类似的模型，该行业将受益匪浅。就像将两个数字相加的方法不依赖于所使用的工具，制造业的抽象模型也应与产品的制造方式无关，无论是单一制作还是生产线组装。
再如图灵机的例子，阿兰·图灵在20世纪30年代创建的这个高级抽象模型，为现代高科技产业奠定了数学和科学基础。与图灵机类似，为制造业构建抽象模型将为设计、自动化和制造业本身带来巨大的收益。随着计算机和信息科学的进步，将物理制造过程模型化，甚至将图灵机理念带入制造业已成为可能。这将使美国制造业的产品质量更高、可靠性更强、成本更低，并更快交付。
通过改进机器人技术和培养高素质的工作人员，我们可以更高效地使用机器人技术。这不仅有助于提高美国的就业率和全球竞争力，还能解决当前面临的一系列问题。传统的流水线工人正逐渐退休，他们并未接受过使用机器人工作的培训，且其保险和医疗成本逐年上升。即使能承担这些成本，但生产下一代小型化、复杂化的工业产品所需的适应性、精度和可靠性已经超越了现有工人的能力。机器人技术和高素质人才的培养对于提高制造业的效率和竞争力至关重要。在制造业的革新：机器人技术与自动化技术的影响
随着先进的机器人技术和自动化在制造业中的广泛应用，我们见证了一个新时代的到来。这一变革不仅引领着技术的前沿，更掌握着知识产权与财富的钥匙：
1. 掌握知识产权与财富：机器人技术与自动化不仅是技术进步的象征，更是新时代的财富密码。它的引入，让制造业焕发出前所未有的生机。
2. 公司竞争力的提升：机器人与自动化的结合，使得企业生产效率和质量得到质的飞跃，从而在激烈的市场竞争中占据更有优势的地位。
3. 就业岗位的创造：随着机器人技术的研发、制造、维护及训练的兴起，大量的新就业岗位应运而生，为求职者提供了更多的选择。
4. 人机混合团队的崛起：工厂开始采用人机混合团队，充分发挥人类与机器人的各自优势。人类擅长处理突发事件，保障生产线的稳定运行，而机器人则擅长完成精确性和重复性工作，举重若轻。
5. 解决医疗问题：机器人的应用有效减轻了工人的负担，减少了如腕管综合症、背部受伤等传统工伤，以及因吸入有毒气体和蒸汽导致的损伤，大大改善了工作环境和安全性。
6. 满足零售商的需求变化：自动化的生产线缩短了制造成品的交货时间，使制造业系统更加灵活，更能适应零售商的需求变化。
重振美国制造业的机遇与挑战
对制造业进行投资，尤其是引入机器人技术与自动化，有可能重振美国制造业的辉煌。将部分资源投入到经济高效、资源节约型的制造业中，不仅能够让消费者受益，更能支持数百万在这一重要经济领域工作的工人。这样的投资不仅限于制造业，还能惠及医疗保健、农业和交通运输业，同时在国防、能源和安全等方面增强国家的资源建设。在未来五十年，这一领域的深入研究将带来一系列令人瞩目的成果，极大提升“美国制造”的质量，推动美国制造业进入一个全新的发展阶段。通过这样的变革和创新，美国制造业不仅能够重新焕发生机，更能在全球舞台上大放异彩。技术路线图研究流程探索之旅
一、技术路线图概览
美国制造业技术路线图揭示了一个令人瞩目的未来：通过发展一系列机器人技术领域的基础技术，制造业的关键能力将得到巨大的提升。这些关键能力，每一个都是由制造业中广泛应用的一个或多个领域发展而来，并指向某些基础研发的主要技术领域（如上图所示）。将这些技术整合为一个连贯的方案，是推进制造业进步的关键。
二、机器人技术对制造业的深远影响
让我们通过一些假想的例子，来探讨机器人技术在制造业中的应用及其产生的积极影响。这些例子生动展示了制造业模式的变革，也是技术与能力融合的鲜活实例。本路线图不仅描绘了各项技术在当前的状态，更明确了它们在5年、10年、15年后的关键发展节点。
三、流水线上的革命：辅助机器人实例解析
以一家汽车制造商为例，面对新型电动汽车订单的激增，他们需要迅速整合已有的生产线能力。流水线迅速进行了任务重新分配，适应新的汽车模型生产。这时，工厂引入了一组辅助机器人。这些机器人在短时间内完成设置，与人类工人协同完成新任务。流水线的首要工作是微调机器人的参数，优化其传感器系统与机器学习算法。紧接着，在一个关键供应商的要求下，工程师迅速调整装配程序，将其打印并发给工人，同时更新流水线上的辅助机器人。这种灵活、高效的制造业模式，正逐渐融入我们的日常生活。
随着技术的不断进步和融合，未来的制造业将变得更加智能、高效和灵活。我们期待着这一领域的持续发展，以及它为人类社会带来的无尽可能。事例一：革新自动化技术的广泛应用，重塑商业未来
在全球科技浪潮中，一家名为Rethink Robotics的公司引领着变革。他们的机器人Baxter以其独特的编程方式引起了广泛关注。无需繁琐的培训或长时间的实践，只需通过简单的演示示范，即可轻松编程。这一重大突破意味着安装与操作成本的显著降低，将极大地拓宽自动化技术在商业领域的应用范围。从此，复杂繁琐的生产线工作将变得简单高效，开启了自动化技术的崭新篇章。
事例二：独特离散部件制造与组装的新纪元
在一个小而精的医疗器械制造工场，一位职业医师带着他的创新想法来到此地。他想要制造一种专为乘坐轮椅的四肢瘫痪病人设计的头部控制输入装置。以往，这类设备的制造成本高昂，耗费大量时间和人力进行机器设置。这里的老板拥有一台智能机器人，它不仅能理解语音和手势命令，还能在必要时请求人工协助。这台机器人能够在铣床、车床上自如操作，对机械和电子组件进行设置，甚至在移动过程中清理冷却剂的泄漏，提醒狭小空间内的工人注意安全。它的灵活性和响应速度确保了突发性工作对工场日常工作的最小干扰。
事例三：基于模型的供应链设计的飞速发展
制造业的核心竞争力
本文将简要探讨制造业的关键能力，并预测未来5年、10年及15年可能达到的技术节点。接着，我们将讨论一些有望帮助我们实现这些技术节点的前沿研究方向。
适应与重构的生产线魅力
当前，从产品设计到生产线制造之间的时间间隔令人无法接受。以新型汽车为例，这一间隔竟长达两年。面对新的产品和生产线子系统，我们期望能够灵活重构，设立工作站以应对新产品的生产。未来15年，构建具备适应性和重构性的生产线显得尤为重要，其路线图包含以下三个主要目标：
自主导航：制造业的新航标
自主导航是制造业的一项核心能力，它将深刻影响多个领域。从采矿到建筑装备的自动化，再到原材料的高效运输，自主导航在制造业中发挥着至关重要的作用。想象一下，导引车辆能够自动装卸原材料、运输成品，并在非结构化环境中安全导航，这将极大地提高生产效率。为了实现这一目标，我们需要在关键部件技术上进行重大投资，如使机器人能够在充满挑战的环境中安全自主导航，包括应对静止障碍物、车辆、行人以及动物。
具备灵活性的生产线与前瞻研究
为了实现上述技术节点，我们需要关注一些具有前景的研究方向。生产线的灵活性和可重构性是关键。随着技术的不断进步，我们需要设计出能够适应不同产品生产需求的生产线。智能材料和先进制造技术的研发也将成为重点。这些技术将使我们更高效地生产复杂产品，同时减少浪费和成本。自主导航技术的进一步发展将极大地提高生产效率，使制造业在竞争激烈的市场中保持领先地位。
探索自主导航的路线图：绿色制造业与类人灵巧操作技术的融合
美国建筑师William McDonough曾言：“污染是设计与制造失败的标识”。如今，为了满足自上而下需求的制造业，我们必须进行全面的创新。传统的制造业主要关注生产过程中产生的废弃物、可利用废弃物以及在停工和维护时的废弃物。绿色制造业的路线图则着眼于整个生产过程中所有组件及系统的回收利用，从原材料的开采与加工，到产品制造与分发，直至最后的材料回收。为了实现逐步的变革，我们必须引入新的制造业技术，同时新产品的设计也必须遵循绿色制造的目标。
向增材制造过渡就是一个绝佳的例子，这将极大地减少产品或零件生产中的废料。新的物流系统也需要拥有广泛的回收能力，以便回收那些传统物流系统难以处理的材料。我们高度重视制造业基础设施的重用、原材料的回收、每个制造环节能源使用的最小化，以及为生产新产品对子系统进行重新设置。简而言之，我们正在构建一个循环经济的蓝图，旨在确保资源的高效利用和环境的可持续发展。
与此类人的灵巧操作技术也正在取得突破。尽管机器人手臂与手掌在速度和强度方面已经超越了人类，但在完成需要高灵巧度的任务时，人类的手仍具有优势。这种差距主要源于机器感知、高保真传感器以及规划与控制等关键技术的限制。科学家们正在致力于开发更先进的机器人技术，以便让它们能够像人类一样灵活地处理各种任务。通过模拟人类神经系统和感知机制，新一代机器人将拥有更高级的感知能力、判断力和适应性，从而在各种复杂环境中展现出更高的工作效率和准确性。
机器人灵巧操作技术的演进路线图：未来制造的新蓝图
随着计算机领域与信息科学的飞速发展，我们迈向了一个前所未有的时代，一个将物理制造过程模型化、将图灵机融入制造业的时代。这一技术的实现，预示着制造业将迎来一场堪比数据库与计算机革命般的蓬勃发展。它将为我们带来前所未有的系统与组件互操作性，使得产品质量更高、可靠性更强、成本更低，并大幅提高交付速度。而这幅宏大的技术路线图中，包含以下几个核心的技术节点。
一、基于模型的供应链整合与设计
这是一项引领未来的工作，它打通了整个供应链的各个环节，使研究人员得以“将图灵机带入制造业”。想象一下，当我们将整个制造过程转化为可模型化的数据流程，所有的生产环节都将变得更加精准、高效和协同。这不仅将提升产品质量和可靠性，还能大幅降低生产成本，极大提高交付速度。
二、纳米级制造的崭新纪元
随着科技的飞速发展，传统的基于CMOS的集成电路和计算模式已经被新的纳米级制造和计算技术超越。新的微机电系统（MEMS）、低功耗超大规模集成电路以及纳米技术的发展，为我们带来了次毫米级自供能机器人的可能性。不仅如此，新的并行甚至随机装配技术的出现，预示着传统制造方式将被革新，一种全新的、目前尚只存在于想象中的纳米级制造方式即将诞生。这一切都标志着制造业的巨大变革正在悄然发生。
在这张技术路线图的指引下，我们将逐步迈向一个全新的制造业时代，一个充满无限可能的时代。我们期待着这场革命带给我们的惊喜和机遇，也期待着这个领域未来的蓬勃发展。
纳米级制造及纳米机器人技术的基础研发至关重要。在自动化制造业的浪潮中，尽管固定的自动化设备在大规模生产中表现出色，但针对小批量、高灵活性和定制化的需求，其局限性逐渐显现。它们依赖一个结构化的环境来简化“智能”制造的挑战，但对于小批量自动化制造来说，我们需要机器人更智能、更灵活，以适应低结构化环境，与人类工人和谐共处。
在产品流层面，这些机器人需要在多个地点灵活工作，以完成复杂产品的制造，如飞机和轮船。在功能层面，产品需要在各种机器设备间顺畅流转。单一部件制造的复杂性加剧了这一挑战。为此，非结构化环境感知技术的发展成为关键。
这一技术路线图的核心节点之一是与人类共事的内在安全机器人。这些机器人需要达到“内禀安全”的标准，即在正常或异常条件下，无法释放足够的能量来引燃危险气体。换句话说，这些机器人必须被设计为无法引发潜在的安全风险。尽管这可能会增加机器人的复杂性，但这对于实现机器人与人类和谐共处至关重要。“内禀安全”不仅仅是关于设备的功能要求，更是对机器人和人类关系的深层次思考。
随着制造业向智能化、个性化发展，我们期待看到更多创新的自动化解决方案。其中，纳米级制造技术和内在安全机器人的进一步发展将为制造业带来革命性的变革。这些技术将使我们能够更智能、更安全地生产定制化产品，开启制造业的新时代。
内禀之物，乃本质之精华，融于生命之源。此刻之核心关切，在于我们所期望的机器人，应自带安全基因，对人类毫无威胁，无论代价如何。这种期待背后，隐藏着一种恐惧：人类会不会创造出超越自身的存在？一种潜在的文化担忧。或许，我们已经迈出了这样的步伐。
以汽车为例，它曾被视为危险之物。首辆马车对传统道路而言，犹如猛兽初现。历史的车轮滚滚向前，如今的高速公路，车速飞驰，却不再引发恐慌。这并不是说汽车具有“内禀安全”，而是我们学会了与之共处，构建了一个认知风险、驾驭风险的交通系统。汽车融入大众生活，成为我们社会的一部分。
在制造业的舞台上，机器人的大众化同样需要这样的风险与责任评估体系。制造业的环境本就充满风险，我们的目标是让机器人的加入不增加这份风险。衡量这一目标的达成，一个可行的指标是工作损失天数。如果引入机器人后，损失天数并未上升，那就意味着我们在正确的道路上前进。接着，我们将进一步细化安全标准，为用户的特定任务寻找系统解决方案。
事实上，我们需要安全地推进，并持续鼓励针对用户需求的协同解决方案。这包括明确每个自动化设备的能力、局限与风险。创新的多样性将推动机器人风险和责任评估模型的普及。随着机器人的大众化，社会对人与机器人共事的工厂的理解将随之改变，这种改变将在机器人用户数量的基础上逐渐发生。自然语言编程、控制学习以及材料技术的进展，都可能成为加速这一过程的助推器。
那么，机器人与人类的共事情形如何呢？有如一幅蓝图，逐步展开：
机器人与人类，共舞工业革命的华尔兹。从恐惧到接受，从陌生到熟悉，他们共同描绘出一条融合、共进的发展路线图。在这条路上，机器人不仅是一个工具，更是我们共同前行、共创未来的伙伴。