基于5G通信网络时代下仿生机器人的发展

2019-10-21张密王宏民陈邦印麦骞誉康献民江励黄辉

卫星电视与宽带多媒体 2019年10期

张密王宏民陈邦印麦骞誉康献民江励黄辉

【摘要】仿生机器人在发展过程中，其依赖的控制系统一方面是基于大数据、云计算的AI智能技术，另一方面是基于5G通信网络技术的支持。2019年是5G技术的元年，同时也是5G通信技术在工业物联网领域实现市场化发展的最好时机，依托于5G通信技术，仿生机器人可以完成实时的远程操控与联合作业，提高作业的效率，但是由于新兴技术的引用，相关的法律法规还未成形，导致仿生机器人产业易出现虚假广告、侵犯肖像权等问题，同时，本文针对以上问题提出仿生机器人在未来发展时所需要注意的事项并对仿生机器人尤其是仿人机器人的前景进行预测。

【关键词】仿生机器人;5G通信;AI智能技术

项目及项目编号：2018江门市动传感仿生机器人创新团队编号4091702405

一、引言

基于仿生学出现的仿生机器人由于其自身的高适应性，在军事反恐、探索太空、医疗救助、抢险救灾、海洋勘测等领域都有所应用。一方面，伴随着对机器人智能化的需求，机器人已经更新至第三代，仿生机器人在控制系统、机体结构，驱动系统上有了新的技术支持。另一方面，由于市场对仿生机器人的工作环境以及工作效率的要求，仿生机器人引入5G通信技术，增强机器人之间联合作业的可能。

5G通信网络时代作为一个新兴的技术，对于这项技术的应用还缺少相关的规定，即还未成体系。为了探究5G通信网络时代下仿生机器人的演变趋势以及可能面临的法律上的新问题，本文通过资料的查询，通过对中、外案例的总结、分析，提出仿生机器人的新发展。

二、仿生机器人的发展概况

所谓仿生机器人，顾名思义，就是指机器人仿照外界自然、动物进行运动模式的设计。根据其生物工作环境以及运动原理的不同，仿生机器人被分为仿人机器人仿人机器人、访生物机器人以及生物机器人。同时，根据其工作环境的不同，被分为水下仿生机器人，空中仿生机器人和地面仿生机器人。

如果说AI等智能技术像大脑，可以决定防人机器人的“智力”那么5G通信技术就如同血液，可以将不同的系统进行链接，从而进行联合作业。5G时代的到来，标志着仿生机器人在感知能力以及协调能力上有了一定的“质变”。2019年，在广州举行的“2019·5G创新发展大会暨首届中国信息通信行业企业家年会”上，中国移动联合印星机器人所创造的国内第一台使用了5G通信技术的机器人在大会上引来了企业家以及科学家的关注。这台国内首家基于5G通信技术的仿生机器人可以实现人与机器的实时互动，即使用者通过佩戴手套控制器，接下来，5G网络的实时传输实现了机器人对于人类动作的复制，达到人机协同的效果。

三、基于5G通信网络时代仿人机器人的现状

（一）主要技术分支的技术支撑

（1）控制系统

研究仿人机器人的控制系统，首先需要了解仿人机器人其多个身体部位的控制方式即双腿、手以及各关节之间的衔接方式。

从仿人机器人的腿部来说，仿人机器人的双足行走方式起源于日本，第一台双足行走的机器人来自于日本的早稻田大学，这台双足行走的机器人主要解决了以下几个科技上的问题：首先，如何迈出步子即地面反射，其次是迈出的步子有多大即落脚地的设计，最后是如何稳住身子的中心。基于以上技术的仿人机器人存在着以下的问题，一是这种机器人体量大，笨重的机体仅仅模仿了人类的行动模式，但行动模式缓慢且实用性较差。二是其无法实现自我的行走需要靠模型的控制。

第二代仿人机器人为全立式的仿人机器人，这种仿人机器人在基于第一代机器人可以行走的基础上进行了运动模式的调整使其可以实现自我行走。这些机器人体量较小，但是其外观上仍不具备人的特性。

第三代仿人机器人为表情机器人，1993年东京理工大学研究出原文雄教授研究出“AHI”表情机器人，这一代的表情机器人具有一定的智能装置，可以对人类的表情进行学习，并第一次提出“表情智能”的概念。

目前的仿人机器人添加了AI只能以及5G通信网络技术，实现了实时互动以及远程操控，这个时期的仿人机器人实现了头部的集成设计，一方面仿人机器人可以通过大量的数据实现独立的分析以及思考，同时，另一方面可以使用联合作业的方式进行与外界的沟通以及联系。

从仿人机器人的手指部分来说，手指是仿人机器人手臂末端最灵巧的部分。国外较早出现的是三指灵巧手，最早的四指灵巧手是由日本研制出的OKADA，接下来是Utah-MIT四指灵巧手。我国最早出现的三指灵巧手源自北京航天大学BUAA-1.而仿人机器人对于手指部分的控制方式渐渐由钢绳和弹簧演变为齿轮和智能材料，仿人机器人的手指部分應用广泛，从工业吊臂到医用的机器人手指都需要对手指部分进行研究。

从仿人机器人的远程操控性来说，依托于5G通信网络技术的仿人机器人在数据传输上具有实时性，在操控性上具有类人性，在时间上具有持久性同时其经济上性价比较高。3G通信时代就可以实现远程操控，但是依托于3G通信技术的仿人机器人主要应用于数据的采集，且这种远程操控需要代码作为依托。但是5G时代来临，依托于5G技术的远程操控已经实现了实时，同时在2019·5G创新发展大会暨首届中国信息通信行业企业家年会上，已经实现了联合作业。

（2）机体结构分析

仿人机器人为做到与真人类似，其在腰部，腿部的运动结构上都存在着一定的技术支持。通过对这些部位的研究，我们得出以下结论。

首先从仿生性来说，仿人机器人的逼真性越来越高，从第一代仿人机器人到如今的仿人机器人来说其身体外部构造以及身体的比例与人类是较为相似的。同时，仿人机器人的运动模式与人类相似，通过多个关节以及人造肌肉的有效合作可以使仿人机器人的运动与人无异。

除了外部的构造上，仿人机器人在内部的装置中也颇具智能化，如今的仿人机器人不光可以“看人脸色”还能“读懂人的脸色”内置的大数据以及AI技术使得仿人机器人可以通过算法的运算进行人的思维读取，同时还可以达到交流的目的。

（3）驱动系统

仿人机器人的驱动系统经历了从钢绳牵引、弹簧到如今的齿轮和智能材料。人类的关节有至少两块肌肉包裹，根据人类肌腱的启发，在2010年，日本东京大学研究出首个以绳子牵引的仿人机器人，该仿人机器人主要通过非线性的弹簧来调整连接在其上的钢绳，研究之初，该仿人机器人可以提起2kg的重物，但是其腿部的驱动力量不足以让其进行运动，于是，东京大学的研究团队进行相应的改进，通过加入张力传感器得到相应的“肌肉”数据，通过钢绳硬度的改变，从而研发出类似人类肌腱的“平面肌肉”。

同年，美国佐治亚理工学院研究出拥有膝关节、髋关节的单腿机器人，紧接着，东京大学JSK研究出双足步行的钢绳牵引的机器人。并于一年后研究出Kenshiro机器人，该机器人拥有160块“人造肌肉”。

除了钢绳牵引，为了模拟人工肌肉，还存在着气动推动的处理方法，这些气动人工肌肉主要依靠压力从而实现跳跃、行走等动作，但是这种气动的人工肌肉具有不确定性，一方面，气动肌肉负载量大，对于机器人本身行走的路线不确定。另一方面，启动肌肉需要联合作业，需求量大，机器人的成本较高，同时也增加了研发的难度。

所以，为了克服以上的困难，2007年出现了液压的驱动方式，美国波士顿公司研究出了一种液压的驱动方式，其来源主要依靠柴油，通过柴油提供的动力可以维持仿人机器人对于动力的需求。这种液压式驱动方式动力强劲，同时对于机器组合的程度以及数量有所降低，但是相比于气压肌肉的造价更高，且装在机器人内的柴油需要考虑其泄露的可能，所以其性价比更低。

目前，实体机器人多采用智能材料作为驱动方式，这些智能材料体量较低，柔软性好，其适应外界的能力较高，且性价比高，除了实体机器人外，如今还出现了虚拟的机器人，例如搜狗和新华社合作出现的AI机器人，这种AI机器人的驱动力依托于发达的网络科技，所工作的领域也不再局限于现实生活中，这些AI机器人应用广泛可以适用与网络中的任何需要，且研发成本较低，实用性较高。

（二）应用领域特点

（1）应用领域广泛

首先，从仿生机器人的应用领域来说，仿生机器人的应用领域广泛，军事反恐、探索太空、医疗救助、抢险救灾、海洋勘测等领域都涉及到仿生机器人的应用。而仿人机器人由于其具有高度的类人性，其应用性更为广泛，且具有人性化。

仿人机器人具有读懂人类表情，且独立思考的能力，具有一定的陪伴性，以陪护型的仿人机器人为例，通过AI技术以及5G传导技术的植入，陪护型机器人可以实现向人一样正常交流。

在医学方面，植入了5G传导技术的仿人机器人借助医疗智能感知与交互技术，医生为身处异地的病人实现远程精准手术，远程诊疗正在成为现实。相较于4G、WLAN等传统通信方式，5G的高速率、低时延、大连接等特性能有效解决数据传输问题，提高传输稳定性，使远程手术成为现实

2018年12月天津大学机械工程学院研究的“妙手”微创手术机器人，人类医生更精准地将“刚”与“柔”的力量控制到极致。它有柔软的“手指”，可以通过柔性手术器械，以柔顺状态经鼻、口、结直肠等人体自然腔道入路精准抵达病灶处;同时，它也能“拿”起电钩、电刀、夹持钳等工具，进行大力度、高强度的刚性手术操作。微创手术机器人医生的出现，与以腹腔镜为代表的部分微创手术相比，可减少对健康组织造成的破坏，避免在人体表面留下疤痕，满足了微创手术安全接触、柔性可达、刚性操作、精准控制的实际需求，是一种可实现内外科融合一体的新型手术模式。该项目将自然腔道手术平台的关键技术与人工触觉、智能感知与交互技术，以及5G网络低时延、大带宽、切片和边缘云等特性结合起来，“基于5G网络的远程手术创新技术方案”实现了触觉与视觉信息的实时人机交互，让医生远程操作时具有身临其境之感，也使得手术更快、更稳、更准，这对于在急救“黄金时间”挽救更多病患生命，解决跨地域医疗资源不均衡问题具有重要意义。

在工业方面，仿人机器人可以实现多次机械运动的重复操作，机械化的劳动容易使人力产生疲倦，但是对于仿人机器人而言，传入相应的指令即可完成动作的规定，满足了企业对于节约成本的需求。

（2）环境恶劣具有高风险性

从生物学角度来说，人类对于生存环境具有一定的要求，对于一些高风险性的工作环境，比如海洋、气象勘探来说，就需要仿生机器人的参与。例如，中科院研究出一种仿生的机器鱼，这种机器鱼依靠尾鳍和波动鳍来进行推进，速度快，且能进行急转弯运动，灵活性高。

哈尔滨工程大学曾为水下勘探研究出一种两栖的机器人，這种两栖的仿生机器人外形酷似螃蟹，且可以如同螃蟹一般进行运动，该仿生机器进行了特殊的防水处理，在头部安装了一个摄像头，可以对眼前的场景进行实时拍摄同时依托于5G通信技术，对这些搜集的数据进行实时的传回，从而方便后期的分析与研究。

从工业角度来说，部分车间的生产是及具有危险性的，人工的参与可能会造成较大的隐患，比如炼钢厂的锅炉附近，但是采用仿人机器人一方面可以降低生产的风险，另一方面可以保证生产的质量。

（3）精密性高

仿人机器人不光是类人机器人，随着科技的发展，仿人机器人的手部传感装置已经达到了人类的水平，这种精密性较强的仿人机器人主要用于精密仪器的生产以及医学的治疗。

我国对于仿人机器人的手部控制系统有着较多的研究，且申请了较多的专利，先进的控制系统加上智能化的材料使用，使得仿人机器人比人类更有市场上的竞争力。

四、仿人机器人在实际应用时的问题

（一）专利申请

我国仿人机器人起步较晚，从专利申请的数量上来看，我国的专利申请数量为100余件，而国外的专利申请数量超过了700件，其中，美国和日本占据了专利的较大部分，从数量上，我们发现，我国的专利技术较少，且由于我国对于仿人机器人专利的保护力度不够，同行之间的抄袭问题较为严重。

从专利的集中程度来看，无论是中国还是国外，专利的研究主要集中于控制系统以及机身的结构，就我国而言，机器人的专利集中于控制系统尤其是手部的控制系统，以往，我国的机器人手部控制系统主要采取的是钢绳以及弹簧，随着科学技术的进步使得先前的材料逐渐退出市场，与此同时，智能化的材料开始使用。这就使得仿人机器人在技术领域中竞争激烈而领域狭窄，一些竞争力不强的企业会因专利法尚未齐全进行专利的侵犯。

（二）广告侵权风险

仿人机器人所面临的广告侵权的风险主要来自于肖像权的侵犯，为迎合市场的需要，企业在进行仿人机器人的形象设计时，多数会采取明星肖像来带动产品的销售。比如说2015年上海机器人展会上出现的安倍鞠躬机器人，不光是形象上，其動作与声音皆模仿了安倍，再比如说北京世界机器人大会上连续两届出现了以姚明为形象的仿真投篮机器人，我们从动机上来理解，首先，采用明星肖像一方面是明星具有一定的知名度，仿人机器人其本质就是模仿人类的动作模式，名人的肖像可以让观众直观了解仿人机器人的性能以及动作模式的流畅性;其次是名人肖像的易获取性，名人形象由于其高传播性，其肖像可以较为容易的获得这就给企业在设计时提供便利;最后则是在经济利益上来说，具有明星肖像的防人机器人是具有一定市场竞争力的，由于明星具有一定的粉丝效应，明星肖像出现在仿人机器人上，会出现一段时间的购买潮流。

除了实体意义上的机器人，虚拟的机器人也需要相应的真实人物的形象，从而进行机器人的形象设定。搜狗曾经与新华社进行合作，将新华社的一位女主持形象应用于AI机器人形象的设定，除此之外，虚拟的机器人还可以实现静、动之间的转化，即将静的景通过科技的手段进行场景的再现，使人如临其境。

但是，从法律层面来讲，如果该仿人机器人进行广告的宣传就涉及到明星肖像权的侵犯。一方面，如果该产品出现了相应的技术问题，就容易造成该产品时明星代言产品的假象，另一方面，《民法典人格权编（草案二次审议稿）》中规定，未经肖像权人本人同意不得制作、使用公开肖像权。企业使用明星的肖像在未经允许的前提下进行广告的宣传就会涉及到肖像权的侵犯问题。

（三）“恐怖谷效应”风险

我们所说的“恐怖谷效应”风险是指随着科学技术的发展，机器人制造企业吹捧高清、逼真的防人机器人，但是这种对于人物形象的过度逼真就会导致一定的恐怖效应，从而使得整个机器人行业进入被恐惧的状态。以2015你那上海机器人展会出现的安倍机器人来说，有观众反应由于其过于逼真，不停鞠躬的行为让人产生恐惧心理。

并且，从恐怖谷产生的长久影响来看，恐怖谷效应具有长久性和潜移默化性导致了机器人的使用者会造成心理上的伤害。虽然恐怖谷效应在初期的影响较小，但是从使用的受众进行分析，“恐怖谷效应”的影响较大。

追求仿人机器人在样貌上的高度仿真性主要集中于以下几个领域。一方面属于陪伴领域，首先，随着中国老龄化以及“空巢老人”的增多，老人需要陪伴这一理念开始受到社会的追捧，所以越来越多的年轻人需要购置仿人机器人。其次，需要陪伴的不仅仅局限于老人，“留守儿童”、病患等都是需要陪伴的对象，但是这类人群的心里接受能力即抗击打能力较差，导致了“恐怖谷效应”在这类人群中无限放大。

另一方面，高度仿人的仿人机器人还将出现在各式人流密集的区域并可能取代部分与人沟通的职业，由于仿人机器人的高度仿人性使得教师、产品导购员等职业皆有被取代的可能性，所以说，高度仿人的机器人将在未来进行大批量的面市，但由于至今尚未出现因仿人机器人告诉仿人造成的不良案例，所以仍是一个需要继续研究的课题。

五、基于5G通信网络时代下，仿人机器人的前景

随着科学技术的发展，仿生机器人在机身结构上呈现出微型化，即传感器、控制器，传输装置实现了微型化，在其应用的技术上呈现出不断人性化、智能化的趋势，在其外形上，仿生机器人的外形更加符合仿生学。而对于仿人机器人来说，则有以下的特点：

（一）理论上研究种类细化，更微观

仿人机器人出现的前提是基于仿生学的研究，而仿生学则是依托于机械、生物、统计、概率等多种学科，以机器人更新迭代的过程为例，通过机器人种类的具体划分实现了不断的发展，从理论研究上，机器人从运动模式到智能化的思考实现了从宏观到微观的转变。

在未来，基于5G通信网络技术下的仿人机器人将提供更精细的研究种类，通过更为准确的数学模型实现仿人机器人的发展。

（二）机体结构材料更加柔性化，一体化

仿人机器人的机体结构实现了从腿部、腰部、各关节的逐步拼接，其驱动材料也在不断发生着改变，从钢绳、非线性弹簧到齿轮以及智能材料，其硬度在逐渐减弱，使仿人机器人既具有肌肉一般的柔性以及骨骼的刚性。

同时，随着技术的发展，仿人机器人的体量在不断地缩小，实现逐渐类人化，第一代仿人机器人以及第二代机器人由于其步行机器的使用，体量较大且负荷量较重，机器具有不稳定性，但是随着时间的发展，由于智能材料拥有柔软体量小的特点，仿生机器人的精密度，柔软度皆由了提高，未来，仿生机器人将视线结构轻，质量小的特点。依托于5G技术的仿人机器人由于大多具有协作性使得其适应环境的能力得到了提高，这也是未来仿人机器人提高的重要方面。

（三）仿生控制精细到神经元

仿人机器人的精细化发展，使得其对于智能化的需求越来越高，并且控制程度越来越精细。AI智能技术的植入，大大提高了仿人机器人独立思考的能力同时对于生物系统的微观机电和理化特性有了更深刻的了解，通过对于神经元的研究可以在仿生的逼真性上得到了提高。

（四）生物能量转向低能耗，AI机器人出现

随着人们越来越重视环保，机械的低能耗提出了新的要求，以往的液压式驱动方式不仅需要考虑柴油的消耗以及泄露，所以机构的节能型、高效能成为了下一步仿人机器人的发展方向。

同时，虚拟机器人开始逐渐占领市场，虚拟机器人较实体机器人，其在能源的节约性、科技的高含量上都引起了机器人制造企业的注意。比如今年出现的搜狗与新华社的合作，双方以新华社女主持人的形象作为合成后AI智能机器人的形象。

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