5G時代來臨，機器人的春天還會遠嗎

如果機器人技術(shù)和蜂窩通信的搭配看起來感覺很奇怪，那是因為有了第五代無線技術(shù)，即5G技術(shù)。

5G是第一個以無線方式滿足此類應(yīng)用需求的技術(shù)，而不是像前幾代技術(shù)一樣僅僅只是提高數(shù)據(jù)傳輸速率和擴大覆蓋范圍。在全球范圍內(nèi)對這些技術(shù)進行規(guī)范的國際電信聯(lián)盟 (ITU) 將這一雄心勃勃的標(biāo)準(zhǔn)稱為IMT-2020，而這一標(biāo)準(zhǔn)將通過徹底改變蜂窩網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方式、它們可以連接的設(shè)備、它們的工作頻率以及它們所服務(wù)的應(yīng)用，來實現(xiàn)其目標(biāo)。

第五代無線技術(shù)將為新一代機器人鋪平道路，其中一些機器人可以通過無線而不是有線通信鏈路自由控制漫游，同時還能利用龐大的云計算能力和數(shù)據(jù)存儲資源。有了這些能力，就可以近乎實時地對機器人進行精確的動態(tài)控制，并將其連接到本地和全球的人員和機器。簡而言之，5G技術(shù)將完全支持“未來工廠”之類的應(yīng)用，以及許多以前不具備蜂窩技術(shù)和機器人技術(shù)能力的應(yīng)用。

機器人在制造領(lǐng)域已經(jīng)無處不在，汽車行業(yè)也許是其中最明顯的例子。其他關(guān)鍵應(yīng)用示例包括工業(yè)和醫(yī)療。5G的創(chuàng)新將進一步擴展機器人的能力，以至于有必要擴大對機器人的定義。所以自動駕駛汽車屬于機器人，它們執(zhí)行各種各樣傳感器發(fā)出的指示來做出決策并執(zhí)行各種功能，很可能比人類要準(zhǔn)確、可靠和快捷得多。旋翼機和其他無人機也屬于這一類機器人。

要了解5G與機器人之間的協(xié)作，醫(yī)療保健領(lǐng)域就是最好的例子，機器人在這一領(lǐng)域潛力巨大。借助5G通信和云技術(shù)，機器人不僅可以執(zhí)行日常任務(wù)，例如在醫(yī)院內(nèi)將物品從一個地方轉(zhuǎn)移到另一個地方，而且還可以實現(xiàn)由醫(yī)生遠程精心安排并由機器人在本地執(zhí)行的遠程外科手術(shù)。這種手術(shù)在2001年一次被稱為“Operation Lindbergh”的活動中首次得到了展示。當(dāng)時一位名為Jacques Marescaux (1948–) 的內(nèi)分泌外科醫(yī)生坐在美國紐約市的一個控制臺上對一名位于法國斯特拉斯堡（約6200公里外）的患者執(zhí)行了膽囊摘除手術(shù)。

用于個人或醫(yī)療用途的無人機出租車示例圖（圖片來源：chesky / stock.adobe.com）

將時間推移到2025年左右，想象一下，那時候在一家醫(yī)院的手術(shù)室中，機器人和人類利用5G技術(shù)通過云連接到地球上任何地方的外科醫(yī)生，并由他們精心安排手術(shù)程序。同時，位于一個或多個地點的專家可以實時提供他們的專業(yè)知識來協(xié)助外科醫(yī)生。盡管這看起來已經(jīng)很神奇了，但這僅僅是個開始：使用虛擬現(xiàn)實 (VR) 和永遠存在的云，還有可能將成像掃描轉(zhuǎn)換為患者的虛擬三維 (3D) 表示。

然后，使用這種“數(shù)字克隆”，外科醫(yī)生遠程精心安排患者的虛擬化手術(shù)，同時由一臺或多臺機器人執(zhí)行實際手術(shù)。由于骨頭、組織和器官將以不同的方式“感受”，因此醫(yī)生將具有觸感而虛擬的“體驗”。盡管可能無法在十年內(nèi)全面實現(xiàn)遠程手術(shù)，但隨著5G和機器人技術(shù)的成熟，遠程手術(shù)將繼續(xù)逐步向前發(fā)展。

除了實現(xiàn)遠程手術(shù)和其他下一代機器人應(yīng)用所需的機器人和整個“生態(tài)系統(tǒng)”仍處于起步階段之外，當(dāng)前的4G網(wǎng)絡(luò)也根本不具備使其成為可能的特性。也就是說，由于它們實際上需要瞬時響應(yīng)時間，因此必須將“延遲時間”的指標(biāo)降低到前所未有的水平。延遲時間基本上是指從通信鏈路中某一點開始輸入，到從另一點無誤返回輸入之間的時間跨度。對于未來的機器人而言，低延遲對于以機器為中心的高可靠性通信至關(guān)重要。

外科醫(yī)生可能會在機器人實際做手術(shù)時使用VR進行指導(dǎo)（圖片來源：Gorodenkoff / stock.adobe.com）

當(dāng)前的4G長期演進 (LTE) 蜂窩網(wǎng)絡(luò)具有大約50ms的往返延遲時間，但要使機器人之類的應(yīng)用成為可能，5G標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)識到將需要小于1ms的延遲時間，而這是一項巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。與將延遲時間降低到如此之低的水平相比，5G承諾的其他優(yōu)勢（例如云計算和提高數(shù)據(jù)傳輸速率）相對比較“簡單”，因為它面對的是不變的物理定律。

要理解這一點，請考慮真空中電磁輻射的速度為3 x 108m/s。因為地球的大氣層并非真空狀態(tài)，由于大氣的存在，會導(dǎo)致這一最高速度小幅下降。但是，再考慮到一些其它因素，包括信號必須通過的光纖、地面和衛(wèi)星通信鏈路以及電子設(shè)備和連接器，傳播速度會大幅降低。結(jié)果是，A點和B點之間的物理距離越短，延遲時間就越短。這就是5G打算將這一指標(biāo)降低到<1ms的方式。

5G將要求集體形成云的數(shù)據(jù)中心在地理上的密度大幅增加，因為一個位置的數(shù)據(jù)中心可能與大多數(shù)其他位置的數(shù)據(jù)中心相距太遠，無法將延遲時間降低到可接受的水平。這種增加，再加上大于1Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率和使用新的蜂窩頻率（比目前使用的頻率高一個數(shù)量級），將是使1–100km的范圍內(nèi)延遲時間<1ms必不可少的重要條件。

5G將在打造未來工廠中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。未來工廠是另一種要求延遲時間小于1ms的應(yīng)用。結(jié)合云中幾乎無限的數(shù)據(jù)處理和存儲能力，5G通信將使下一代制造環(huán)境中的機器人能夠做的事比今天要多得多。機器人將能夠在其自身和工廠員工之間交換大量信息，從而徹底改變“車間”以及其他支持5G的設(shè)備，例如可穿戴設(shè)備以及增強現(xiàn)實 (AR) 之類的技術(shù)。

經(jīng)理工程師正在控制和檢查智能工廠中的自動化機器人。(ShutterStock/Fit Studio)

隨著機器人將變得可移動并能夠與人互動，因此應(yīng)該能顯著提高生產(chǎn)力、產(chǎn)品質(zhì)量和操作員安全性。為了在整個未來工廠中保持極低的延遲時間，必須高度依賴網(wǎng)絡(luò)中的邊緣計算。邊緣計算將智能和功能帶到了實際應(yīng)用所在的網(wǎng)絡(luò)“邊緣”，類似于幾十年前實現(xiàn)的分布式計算。

5G和基于GPS的定位與導(dǎo)航將會釋放機器人的潛能，讓它們能夠執(zhí)行目前無法執(zhí)行的功能。例如，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，機器人可以在田野中漫步，監(jiān)視作物生長狀況，并將視頻和其他傳感器信息發(fā)送回幾乎任何地方的計算機，甚至可以執(zhí)行農(nóng)****噴灑、修剪和收割等活動。一家名為FFRobotics的公司開發(fā)了一種新鮮水果機器人收割機，該收割機將機器人控制與圖像處理軟件算法相結(jié)合，使機器人能夠找到并區(qū)分可出售和受損的產(chǎn)品以及既非未成熟也非腐爛的水果。

一項名為高通量植物表型分析 (HTPP) 的技術(shù)結(jié)合了遺傳學(xué)、傳感器和機器人，可用于開發(fā)新的農(nóng)作物品種，以及提高營養(yǎng)成分和對環(huán)境條件的耐受性。這項技術(shù)使用機器人上的傳感器來測量各種特征并將結(jié)果發(fā)送給可能位于任何地方的科學(xué)家進行分析?，F(xiàn)在正在開發(fā)其他一些機器人來種植和追蹤種子，以提高人們的耕種效率，以及農(nóng)業(yè)許多其他方面的效率。將來，許多農(nóng)業(yè)工作都可能由遠程控制的機器執(zhí)行。

盡管這不是機器人的常規(guī)樣子，但它的確是機器人，這臺拖拉機可以在5G指揮下穿越田野，用一個控制器就可以監(jiān)督多臺拖拉機。(ShutterStock/Scharfsinn)

請記住，5G不會在一夜之間就徹底改變機器人技術(shù)，因為實現(xiàn)機器人的許多應(yīng)用和技術(shù)目前都還處于萌芽狀態(tài)、正在開發(fā)中或者只是在設(shè)計圖紙上。我們應(yīng)該將5G視為電信新時代的開始，首次全面支持機器人和許多其他應(yīng)用。此外，移動機器人距離成熟的技術(shù)還有很長的路要走，可能需要花費數(shù)年的時間才能將其大規(guī)模部署到從制造和生產(chǎn)到農(nóng)業(yè)、搜索和救援任務(wù)、大范圍搜索和救援任務(wù)以及許多其他應(yīng)用。

5G將需要在網(wǎng)絡(luò)的各個方面進行顛覆性創(chuàng)新，從毫米波通信系統(tǒng)的開發(fā)到軟件定義的虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及新的無線訪問方法，從而使許多機器人可以在較小的區(qū)域內(nèi)互不干擾地工作運行而。最重要的是延遲時間，研究人員必須設(shè)法將延遲時間減少到幾乎沒有。