5G時代來臨，機器人的春天還會遠嗎

如果機器人技術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，即5G技術。

5G是第一個以無線方式滿足此類應用需求的技術，而不是像前幾代技術一樣僅僅只是提高數據傳輸速率和擴大覆蓋范圍。在全球范圍內對這些技術進行規范的國際電信聯盟 (ITU) 將這一雄心勃勃的標準稱為IMT-2020，而這一標準將通過徹底改變蜂窩網絡的構建方式、它們可以連接的設備、它們的工作頻率以及它們所服務的應用，來實現其目標。

第五代無線技術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據存儲資源。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技術將完全支持“未來工廠”之類的應用，以及許多以前不具備蜂窩技術和機器人技術能力的應用。

如今，圍繞機器人及其如何與人工智能 (AI) 一起聯手統治世界存在許多爭論，其中包括一些認為人類命運前景嚴峻的爭論。機器人的擁護者們認為，機器人只是作為人類的補充，用于執行某些人類并不擅長的功能，并不會代替人類。但另一方面，也有一些人認為機器人可能會代替制造業和其他行業中的人類，從而消除數百萬個工作崗位。機器人最終會不會凌駕于人類之上還有待觀察，但是5G技術幾乎可以肯定會讓機器人比以往更高效地運行，并為更多應用提供服務。

機器人在制造領域已經無處不在，汽車行業也許是其中最明顯的例子。其他關鍵應用示例包括工業和醫療。5G的創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，它們執行各種各樣傳感器發出的指示來做出決策并執行各種功能，很可能比人類要準確、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與機器人之間的協作，醫療保健領域就是最好的例子，機器人在這一領域潛力巨大。借助5G通信和云技術，機器人不僅可以執行日常任務，例如在醫院內將物品從一個地方轉移到另一個地方，而且還可以實現由醫生遠程精心安排并由機器人在本地執行的遠程外科手術。這種手術在2001年一次被稱為“Operation Lindbergh”的活動中首次得到了展示。當時一位名為Jacques Marescaux (1948–) 的內分泌外科醫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）的患者執行了膽囊摘除手術。

用于個人或醫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，那時候在一家醫院的手術室中，機器人和人類利用5G技術通過云連接到地球上任何地方的外科醫生，并由他們精心安排手術程序。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知識來協助外科醫生。盡管這看起來已經很神奇了，但這僅僅是個開始：使用虛擬現實 (VR) 和永遠存在的云，還有可能將成像掃描轉換為患者的虛擬三維 (3D) 表示。

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

除了實現遠程手術和其他下一代機器人應用所需的機器人和整個“生態系統”仍處于起步階段之外，當前的4G網絡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時間，因此必須將“延遲時間”的指標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重要。

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

當前的4G長期演進 (LTE) 蜂窩網絡具有大約50ms的往返延遲時間，但要使機器人之類的應用成為可能，5G標準認識到將需要小于1ms的延遲時間，而這是一項巨大的技術挑戰。與將延遲時間降低到如此之低的水平相比，5G承諾的其他優勢（例如云計算和提高數據傳輸速率）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，由于大氣的存在，會導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、地面和衛星通信鏈路以及電子設備和連接器，傳播速度會大幅降低。結果是，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打算將這一指標降低到<1ms的方式。

5G將要求集體形成云的數據中心在地理上的密度大幅增加，因為一個位置的數據中心可能與大多數其他位置的數據中心相距太遠，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的數據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量級），將是使1–100km的范圍內延遲時間<1ms必不可少的重要條件。

5G將在打造未來工廠中發揮至關重要的作用。未來工廠是另一種要求延遲時間小于1ms的應用。結合云中幾乎無限的數據處理和存儲能力，5G通信將使下一代制造環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的設備，例如可穿戴設備以及增強現實 (AR) 之類的技術。

經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，因此應該能顯著提高生產力、產品質量和操作員安全性。為了在整個未來工廠中保持極低的延遲時間，必須高度依賴網絡中的邊緣計算。邊緣計算將智能和功能帶到了實際應用所在的網絡“邊緣”，類似于幾十年前實現的分布式計算。

5G和基于GPS的定位與導航將會釋放機器人的潛能，讓它們能夠執行目前無法執行的功能。例如，在農業領域，機器人可以在田野中漫步，監視作物生長狀況，并將視頻和其他傳感器信息發送回幾乎任何地方的計算機，甚至可以執行農****噴灑、修剪和收割等活動。一家名為FFRobotics的公司開發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合，使機器人能夠找到并區分可出售和受損的產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) 的技術結合了遺傳學、傳感器和機器人，可用于開發新的農作物品種，以及提高營養成分和對環境條件的耐受性。這項技術使用機器人上的傳感器來測量各種特征并將結果發送給可能位于任何地方的科學家進行分析?，F在正在開發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，以及農業許多其他方面的效率。將來，許多農業工作都可能由遠程控制的機器執行。

盡管這不是機器人的常規樣子，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，因為實現機器人的許多應用和技術目前都還處于萌芽狀態、正在開發中或者只是在設計圖紙上。我們應該將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用。此外，移動機器人距離成熟的技術還有很長的路要走，可能需要花費數年的時間才能將其大規模部署到從制造和生產到農業、搜索和救援任務、大范圍搜索和救援任務以及許多其他應用。

5G將需要在網絡的各個方面進行顛覆性創新，從毫米波通信系統的開發到軟件定義的虛擬網絡架構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域內互不干擾地工作運行而。最重要的是延遲時間，研究人員必須設法將延遲時間減少到幾乎沒有。