邁克爾·道森-哈格蒂衝進我的辦公室時，身穿一件燻黑的石灰色焊接外套，臉上帶著燦爛的笑容，我就知道他和他的搭檔贏了。他們的測試：焊接一個悍馬（一種在伊拉克和阿富汗隨處可見的軍用車輛）的金屬空間框架，要比一支擁有數十年經驗的專家團隊更快。
這是道森-哈格蒂的第一份正式工作——他剛剛完成碩士學位，加入了卡內基梅隆大學機器人研究所的工程人員——可以公平地說，剛開始時他有點緊張。說實話，我更擔心他的搭檔，他足夠可靠，但通常缺乏人際交往能力。
支援科學新聞事業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞事業 訂閱。透過購買訂閱，您將有助於確保有關塑造我們當今世界的發現和思想的具有影響力的故事的未來。
這個專案的合作者是一個機器人，類似於我們在福特或通用汽車的裝配線工作中通常看到的那些巨大的工業機器。然而，那些機械巨獸在籠子裡操作，以確保人類安全地遠離無情的自動化推力，而我們改裝了 Spitfire——我們 13 英尺高、配備雷射眼的單臂焊接機器人——使其能夠與人並肩工作。而且，不是 Spitfire 聽從道森-哈格蒂的指令，而是團隊傾向於反過來工作：機器人指示下一步，定位和焊接的艱苦工作在道森-哈格蒂和 Spitfire 之間分配，根據誰能最有效地完成任務。通常是機器人，而不是人類，發號施令。
由於工作如此分配，道森-哈格蒂和他的機器人搭檔在 10 小時內以 1,150 美元的價格建造了框架，包括原材料和人工。我們僱來作為對照組的專家在 89 小時內完成了相同的任務，並向我們收取了 7,075 美元的費用。
人類與機器人協同工作以及反之亦然的經濟後果可能是巨大的。工廠可以摒棄精心配置的裝配線，節省數十億美元的裝置安裝成本。需要修改受歡迎的產品？人機團隊可以定製任何產品，從電子產品到飛機，而無需昂貴的重新工具。這項技術將使公司能夠快速響應消費者需求，以周而不是年來衡量產品更新週期。工人們應該會發現工廠車間不斷變化的挑戰是有益的。由於這些以及更多原因，我們需要認識到，機器人最終可能更適合擔任主管，而不是奴隸。
保持冷靜
關於“機器人”究竟是什麼，一直有很多討論。機器人研究界將機器人定義為可以感知、思考和自主行動的機器。這不太正確——你家的恆溫器可以做到所有這些事情，但你不會把你的房子歸類為機器人。區別在於你的恆溫器只是你房子功能的一小部分。只有當“機器人”功能用於服務於物體的核心責任時，該物體本身才能被視為機器人。例如，當自動駕駛汽車使用感測器和人工智慧來實現交通運輸（汽車的基本功能）時，它就變成了機器人。
半個多世紀以來，製造商一直在部署機器人，以透過自動化提高效率。然而，機器人一直是專用機器——例如，擅長焊接裝配線上每輛汽車的特定組接頭。人類一直在進行組織工作，設定裝配線以利用機器人的優勢和精度。
對於汽車等以數萬輛計的裝配線下線的產品，該工藝效果良好。然而，隨著按需定製製造的興起，供應商按需建立小批次產品，焊接或加工等工藝的設定時間成為主要的瓶頸。為機器人準備工作所需的時間太長了——有時需要幾個月。人們必須計劃焊接順序、緊固零件、程式設計機器人、準備原材料並最佳化焊接引數。
讓像道森-哈格蒂這樣的人與製造機器人合作可以大大縮短設定時間。過去，程式設計師使用特殊程式碼來告訴機器人如何移動。現在，只需產品的計算機輔助設計 (CAD) 檔案即可設定智慧裝配線。演算法會將這些設計轉換為機器人的待辦事項列表。
然而，設計裝配線並不是唯一的挑戰。機器人和人類一直難以協同工作。工業機器人從一個位置移動到另一個位置，並且基本上堅持到達最終目的地——無論是否有人擋路。製造商對機器人進行程式設計，使其重複執行相同的任務，直到零件用完。如果剛性物體使移動變得不可能，工業機器人就會進入錯誤狀態並基本上斷電。這種情況比穿過某人的頭部要好，但兩者都沒有幫助。想想如果同事們在靠得太近時就僵住了，會完成多少工作。
下一代工業機器人本質上對人類是安全的。如果機器人不小心撞到人，撞擊不應是致命的，甚至不應是危險的。機器將瞭解工作空間中人員的位置，並且應該能夠使用語音、手勢、“面部”表情、文字和圖形與人類夥伴交流。
機器人制造商已經在製造機器以滿足現代製造業的勞動力需求。Spitfire 基於總部位於蘇黎世的 ABB 製造的機器人，並增加了在卡內基梅隆大學設計和製造的特殊功能。ABB 還提供 Frida，這是一款旨在在人員周圍安全執行的雙臂機器人。與此同時，總部位於波士頓的 Rethink Robotics 由 iRobot 聯合創始人羅德尼·布魯克斯創立，開發了 Baxter，它也配備了雙臂和一系列感測器，使程式設計比上一代機器人更容易。
操作員透過手動引導 Baxter 完成一系列動作來對 Baxter 進行程式設計，機器人稍後會重複這些動作。這項壯舉是透過簡單的學習演算法和影像處理來實現的。例如，如果一個人向 Baxter 展示如何從移動的傳送帶上揀選零件，Baxter 將適應並學習如何做到這一點——即使零件以不規則的位置和時間從傳送帶上下來。
位於加利福尼亞州門洛帕克的 Willow Garage 建立了一個名為 PR2 的移動演示機器人，它有兩個手臂、一個頭部和一系列感測器。與 Frida 和 Baxter 一樣，PR2 的設計宗旨是與人類並肩安全工作。在卡內基梅隆大學，我們使用 PR2 在相對混亂的環境中為訪客提供飲料和小吃。
恭敬的待遇
Spitfire 不僅向人類學習。它也足夠聰明來指導他們。Spitfire 將大型專案分解為小步驟，並根據誰能更快地完成任務（機器人或人類）來分配這些任務，對兩者都沒有偏好。
道森-哈格蒂和 Spitfire 開始他們的框架焊接工作，首先從空間框架的 CAD 描述中提取“材料清單”。根據這份購物清單，機器人的計算機自動計劃從供應商處訂購哪些零件，以及如何將標準尺寸的鋼管切割成精確的長度。然後，計算機計劃了執行焊接操作的最佳順序，並指定了固定零件的最佳方式，以便在焊接過程中牢固。
我們還為 Spitfire 配備了一個微型教室投影儀，以便它可以將影像和文字直接顯示在空間框架上。這些影像變成了一種增強現實。機器人使用其投影儀逐步告訴道森-哈格蒂如何設定複雜的建造過程——零件和夾具在工作空間中的位置以及焊接操作的順序。道森-哈格蒂將所有東西都移到位。在這裡，人類是更好的選擇，我們將其視為“體力活”，因為零件相對較輕，並且形狀各異，很容易被人手抓住。
Spitfire 還使用其雷射位移感測器來準確感知其三維工作空間，並檢查以確保所有零件都已正確對齊。使用投影儀和感測器，它可以突出顯示空間框架上的精確位置，並引導人類完成建造過程。
一旦團隊安排好要焊接的零件，Spitfire 就可以接管並快速完成該工作。Spitfire 不僅焊接速度快——焊接兩英寸只需五秒鐘——而且其焊縫非常出色。通常在每次工作之前，焊接專家都會調整大約 20 個關鍵的焊接引數，例如電壓、焊接速度和焊絲送絲速度。在我們的實驗中，我們指示 Spitfire 設定試驗，它可以自行執行以最佳化所有這些變數。隨著這些實驗的進行，Spitfire 測量了試驗執行的結果並調整了其設定以提高其效能。機器人自學成為一名焊接專家。
考慮到空間框架需要 400 處焊縫，Spitfire 的速度和能力是一個巨大的優勢。但 Spitfire 並非完美無缺。在某些情況下，機器人無法到達特定的焊縫，因此它指示道森-哈格蒂介入以執行棘手的操作。
燈光亮起
雖然很難準確預測人機團隊何時首次在工廠車間翩翩起舞——製造商通常不願採用新技術——但智慧自動化的明顯優勢應推動公司在未來五年內轉向協作系統。我們對先進製造業的願景已經與庫爾特·馮內古特 1952 年的小說《Player Piano》（《自動鋼琴》）中聞名的“熄燈”生產相去甚遠，在小說中，自動化工廠完成了所有工作。正如故事所說，自動化使勞動力變得過時，但也使人們因毫無意義的生活而感到痛苦——這是一條不可接受（且不必要）的道路。
更好的前進方向是機器人和人類作為團隊合作，其中任務根據能力動態分配。希望人們可以從深入參與制造過程的滿足感中獲得樂趣——即使他們有時會聽從機器的指令。