大話機器人
高德東 編著
第0章
緒論
也許我們還不知道，機器人正在悄悄地走近我們，也正在緩緩地改變着我們。比爾·蓋茨曾預言，機器人将像個人電腦一樣無處不在。今天，我們已經可以清晰地感覺到他的預言的準确性。可以想象有一天，我們将和機器人站在一起，讨論工作，讨論下班後晚飯吃什麼。總之，不管我們是否做好準備，機器人時代都如期到來了，而且機器人就圍繞在我們身邊：我們走進銀行或者酒店，迎面服務的居然是機器人；我們會在淘寶網上挑選一款适合孩子的早教機器人，也會購買一台打理地面的家庭清掃機器人。
正如30年前的計算機和行動電話一樣，機器人将影響和改變我們的生活，甚至影響當今社會結構。20年前的中國，如果誰擁有一台計算機，那麼，他要麼是從事計算機工作，要麼就是計算機狂熱者。而今，計算機已經成為許多人不可或缺的家用和工作必需品。20年前的中國普通百姓會想到計算機能這麼快地走進他們的生活嗎？行動電話則更加普遍地影響和改變人們的生活，甚至在偏遠的山區也會有一位老媽媽拿着手機與遠在異國他鄉的孩子視訊通話，傾吐她那渴望兒女的衷腸。
機器人将像計算機和行動電話一樣改變我們未來的生活，其改變的力度和程度可能更甚。因為機器人是這個時代衆多科技的內建品和綜合體，它必将以一種更加廣泛和更加深入的方式影響着人類。
0.1 機器人适應新形勢需要
全球範圍内正在掀起新一輪科技革命和産業變革熱潮，無論是專家、學者的論文，還是媒體報道或政府文告，工業4.0、大資料、網際網路+、物聯網、智能化、雲計算、3D列印、人工智能等詞彙頻繁出現，已成為社會各界關注的焦點[1]。機器人也伴随着新一輪科技革命成為我們生産生活中不可或缺的一部分。
0.1.1 工業4.0
2008年金融危機後，各國為了振興經濟并在新一輪工業革命中占據制高點，紛紛提出了再工業化戰略。其中最著名的就是德國提出的工業4.0。
2011年，在漢諾威工業博覽會上，德國人工智能研究中心董事兼行政總裁沃爾夫岡·瓦爾斯特爾（Wolfgang Wahlster）提出，要在制造領域廣泛應用物聯網和服務網絡等現代媒介，通過生産方式的變革推動第四次工業革命，即所謂“工業4.0”的最初概念，2013年4月德國推出了《德國工業4.0戰略》，并在漢諾威工業博覽會上正式釋出了“工業4.0”[2]，将工業發展分成了四個連續階段，如圖0.1所示。從工業1.0到4.0其主要技術特征分别是機械化、自動化、資訊化和網絡化[1]。工業 4.0 強調通過資訊網絡與實體生産系統的融合來改變目前的工業生産與服務模式。德國希望在未來10～15年整體工業将逐漸從3.0向4.0轉變。
在資訊技術指數級增長、數字化網絡化普及應用和內建式智能化創新等三大驅動力的作用下，工業3.0轉換到工業4.0，進而帶來了新一輪工業革命。工業4.0的核心技術是資訊實體系統（Cyber-Physical System，CPS），其概念由美國國家自然基金委員會于2006年提出，主要強調Computing、Communication和Control的融合[3]。CPS是實作了多個軟體對多個硬體控制的網絡，利用物聯網、傳感器的無線連接配接和感覺功能來實作對工廠和企業的控制和管理。CPS可将資源、資訊、物體以及人緊密聯系在一起，将生産工廠轉變為一個智能環境[4]。在CPS中，生産裝置不再隻是“加工”産品的裝置，而是擁有智能功能的物聯網節點；機器人就是CPS的關鍵智能節點之一，是實作智能工廠中的房間和智能工廠的關鍵環節。
0.1.2 中國制造2025
2018年5月8日，國務院印發《中國制造2025》，部署全面推進實施制造強國戰略。其指導思想是：堅持走中國特色新型工業化道路，以促進制造業創新發展為主題，以提質增效為中心，以加快新一代資訊技術與制造業深度融合為主線，以推進智能制造為主攻方向，以滿足經濟社會發展和國防建設對重大技術裝備的需求為目标，強化工業基礎能力，提高綜合內建水準，完善多層次多類型人才培養體系，促進産業轉型更新，培育有中國特色的制造文化，實作制造業由大變強的曆史跨越[5]。
《中國制造2025》戰略舉措之一——高端裝備創新工程以十大領域重點突破，其中就包括高檔數控機床和機器人。我國未來十年将重點圍繞汽車、機械、電子、危險品制造、國防軍工、化工、輕工等工業機器人、特種機器人，以及醫療健康、家庭服務、教育娛樂等服務機器人應用需求，積極研發新産品，促進機器人标準化、子產品化發展，擴大市場應用。突破機器人本體、減速器、伺服電機、控制器、傳感器與驅動器等關鍵零部件及系統內建設計制造等技術瓶頸。對于五大工程之一的智能制造工程，要求緊密圍繞重點制造領域關鍵環節，開展新一代資訊技術與制造裝備融合的內建創新和工程應用；支援政産學研用聯合攻關，開發智能産品和自主可控的智能裝置并實作産業化；依托優勢企業，緊扣關鍵工序智能化、關鍵崗位機器人替代、生産過程智能優化控制、供應鍊優化，建設重點領域智能工廠/數字化工廠中的房間。
2016年，工業和資訊化部、國家發展改革委、财政部等三部委聯合印發了《機器人産業發展規劃（2016—2020年）》，推動“十三五”期間機器人及其産業的發展。規劃指出，機器人産業發展要推進重大标志性産品率先突破。在工業機器人領域，聚焦智能生産、智能物流，攻克工業機器人關鍵技術，提升可操作性和可維護性，重點發展弧焊機器人、真空（潔淨）機器人、全自主程式設計智能工業機器人、人機協作機器人、雙臂機器人、重載AGV 6種标志性工業機器人産品，引導我國工業機器人向中高端發展。在服務機器人領域，重點發展消防救援機器人、手術機器人、智能型公共服務機器人、智能護理機器人4種标志性産品，推進專業服務機器人實作系列化，個人/家庭服務機器人實作商品化。
面對新一輪技術革新，德國工業4.0和《中國制造2025》雖然應對略有不同，但基本核心關鍵是一緻的，即制造業與資訊技術和網絡技術的深度融合。世界其他各國也紛紛提出應對政策。美國奧巴馬政府于2011年6月出台了《先進制造夥伴計劃》（Advanced Manufac-turing Partnership，AMP），确定關鍵領域包括機器人和先進材料等；英國于2013年10月推出了《英國工業2050戰略》，提出通過融合技術、産品和生産網絡，促進制造業更新；日本于2014年9月出台《日本制造業白皮書》，提出向知識密集型的高端制造業轉型；2015年5月，日本政府設立了“機器人革命行動協定會”；南韓提出了《工業4.0戰略實施建議書》，将制造業和資訊化融合[6-7]。可以看出，世界各國應對新一輪技術變革，核心直指工業化與資訊化相融合的新型制造業，機器人在制造業轉型過程充當着極其關鍵的角色。
在這一輪的技術變革中，以移動網際網路與大資料服務、醫療健康與物聯網、新能源與智能交通自動化、機器人與智能制造等為代表的科技創新正在改變世界的技術發展方向、産業競争格局與社會組織結構，這一交錯融合的科技浪潮引起了制造模式、生活方式、軍事作戰形态等的變化[8]。制造業數字化、網絡化、智能化（即智能制造）是這一輪工業革命的核心[5]。而智能制造的關鍵環節就是機器人，它将替代人力最終實作“無人工廠”。資訊與網際網路、新材料與新能源、自動化與人工智能等技術發展以及多學科前沿交叉理論與技術進步，必将拓展機器人的應用領域，并衍生出與機器人相關的新概念、新理論和新方法。
0.2 機器人教育現狀
在工業4.0和《中國制造2025》戰略的政策激勵下，我國工業進入“智能+”時代，機器人産業發展邁入快車道。但機器人專業人才匮乏成為制約産業發展的瓶頸，據教育部、人社部與工信部釋出的《制造業人才發展規劃指南》預測，到2020年我國高檔數控機床和機器人領域人才總量需求為750萬，缺口達到300萬，到2025年，人才總量需求為900萬，缺口将進一步擴大到450萬。通過對比2013年和2015年資料，機器人相關職位碩博高學曆層次人才需求同比增長率為117.1%，大學學曆層次人才需求同比增長率為154.5%，大專及以下學曆層次人才需求同比增長率為277.0%[9]。可見，加強機器人教育對填補未來人才缺口有着重要的意義。
0.2.1 美日機器人教育
美國高校的機器人教育主要呈現以下兩個趨勢，一是開設相關課程，二是将機器人作為課程學習的平台，運用到教學中，更增強了學生動手實踐的能力[10]。麻省理工學院涉及機器人教育的課程包括認知機器人學、機器人學導論、自控機器人設計競賽、機器人程式設計競賽，結合各個專業所需以及機器人應用領域，開設在航空航天學、機械工程學和電氣工程與計算機等學科專業中[11]。而俄勒岡州立大學則将機器人作為學習平台，其電子工程與計算機科學系在電子概念導論、電子基礎、數字邏輯設計、信号與系統、計算機原理與彙編語言、機械設計等課程中使用TekBot機器人作為學習平台，加強課程連貫性，将課堂學習理論應用到機器人設計與開發中[11]。
在基礎教育方面，美國從國小開始學習程式設計、撰寫程式和機器人控制，同時鍛煉孩子動手操作能力；到中學則加入機器人社團，每天花三四個小時在實驗室，準備競賽[10]。在美國的基礎教育領域，機器人教育主要由四種形式組成：一是開展機器人技術課程，二是運用于課外活動，三是舉辦以機器人為主題的夏令營等活動，四是利用機器人技術作為輔助教學工具的活動[11]，可見其課程設定的靈活性、自由性。
早在1980年，日本便将機器人産業定位為前沿技術産業，并面向專業技術人員，由企業、産業機器人工業協會或教育訓練機構等開展技術研修。20世紀80年代，日本大學及科研院所中鮮有機器人相關專業，多在機械工學等學科中開展相關的教研活動，比較具有代表性的是名古屋大學電子機械專業和早稻田大學機械工學專業。随着技術的發展，資訊技術等學科也逐漸開始增設相關研究，如東京大學機械學院建立機械資訊工學專業、慶應義塾大學理工學院設立系統設計工學專業等。1996年，日本首個機器人學科在立命館大學理工學部成立，代表着機器人正式作為獨立學科出現在高等教育中[12]。而且，日本每所大學都有較高水準的機器人研究會，每年定期舉行機器人設計和制作大賽[13]。
日本機器人高等教育以千葉大學為典型。該大學在大學階段開設機器人啟蒙課程或機器人基本原理，旨在讓學生普遍了解機器人基礎理論；在研究所學生階段則開設進階機器人學課程，涉及專業面也較廣，包括機械、電氣、航空航天等。同時與俄勒岡州立大學類似，機器人作為學習平台普遍應用于千葉大學的課程中，包括電子元件、電路基礎、數字邏輯、信号工程、計算機原理、工程機械設計等課程。同時千葉大學也十分重視機器人倫理素養的培養，率先頒布了《日本千葉大學機器人憲章》，以維護、保全地球生态系統平衡為理念，積極促進機器人的研究開發與技術教育[14]。
日本機器人教育呈現低齡化，初期以高等教育為主，後來逐漸向中學教育過渡。1988年NHK（日本放送協會）和全國中專聯合會主辦機器人競賽，自1991年起成為全日本所有中專院校均參賽的全國盛會。面向中學生的機器人競賽則有由文部科學省與産業教育振興中央會等主辦的高中生機器人競技大會，以及由全日本技術家庭科研究會舉辦的全國中學生機器人競賽等。1998年，文部科學省将程式設計列為日本中學必修内容。調查結果顯示，到2004年日本23%的中學在技術家庭科目中開展機器人教育。另外，日本企業也積極參與教育活動，如2017年日本軟銀機器人有限公司投入58億日元實施“Pepper社會貢獻項目”學校挑戰，将旗下的人形機器人産品“Pepper”無償借給各地區282所公立中國小，以開展中國小的程式設計教育應用研究[12]。
0.2.2 我國機器人教育
我國機器人教育起步較晚，從研究機構來看，有關機器人教育的研究大多存在于各大高校，且多為師範大學和工程類大學，開設機器人教學課程的高校數量較國外高校少很多[15]。同時也有一部分職業技術院校開展了相關研究，中國小校的研究力量相對薄弱。但目前研究力量中知名大學相對較少，有的大學甚至才剛剛引進機器人教育。機器人教育是學校對學生進行工程教育的重要抓手，在各類學校開展機器人教育、研究機器人的教育價值，對加快教育改革和機器人教育的發展，提高學生的創新能力和跨學科整合能力具有重要的現實意義[16]。
1.中國小機器人教育
我國中國小機器人教育可追溯到2000年，北京景山學校以科研課題的形式将機器人納入資訊技術課中，率先開展中國小機器人教育。2001年，上海市西南體育中學、盧灣進階中學等學校開始以“校本課程”形式進行機器人知識普及。随後，越來越多的學校開展了機器人實踐教育，主要有競賽模式或興趣小組兩種模式[17]。2001年，中國科學技術協會面向中國小舉辦了首屆中國青少年機器人競賽[18]，到2016年整合為現在的機器人綜合技能比賽、機器人創意比賽、FLL機器人工程挑戰賽、VEX機器人工程挑戰賽和WER工程創新賽五個競賽項目，普及和培養青少年的機器人知識和素養。
教育部于2003年4月頒布了《普通高中技術課程（實驗）标準》，首次在“通用技術”科目中設立了“簡易機器人”子產品，基于計算機技術的學習平台，将機械傳動與單片機應用有機組合。同年，教育部将中國小機器人比賽納入“全國中國小電腦制作活動”中；同時普通高中新課程也将“人工智能技術及簡易機器人制作”列入選修内容。據調查，大多數中學都開展了機器人教育，但是其開展的主要形式基本上為參加各類機器人競賽。由于器材、場地、經費等因素的限制，開設了機器人課程的學校多集中在發達城市，偏遠地區的一些鄉村學校幾乎沒有開設該課程[19]。
中國小機器人教育正面臨着閱聽人面過于狹窄、區域分布呈現出顯著的差異性、在具體實施過程中還普遍存在着流于形式和不受重視的困境[20]。其主要問題展現在：主要以競賽為主，沒有充分調動學生的主動性，缺乏機器人素養教育訓練；機器人教育的專業師資隊伍短缺（貧困欠發達地區尤為嚴重）；機器人教育課程和基礎教學條件不足；機器人教育評價體系不完善[20-21]。
随着智能時代的到來，教育部門高度重視機器人教育，2017年7月國務院頒布的《新一代人工智能發展規劃》明确指出，在中國小階段設定人工智能相關課程，逐漸推廣程式設計教育。2018年1月教育部釋出的《普通高中課程方案和國文等學科課程标準（2017年版）》，在通用技術課程中增加了“機器人設計與制作”子產品，涉及計算機、程式設計、傳感器等。以上檔案的頒布意味着我國機器人教育在大衆化、普及化層面邁入新時代。
2.高校機器人教育
我國高校機器人教育起步也較晚，開設機器人教學的高校數量和課程數量都較美日等機器人教育發達國家要少，而且大部分為工科院校。清華大學機械工程專業開設“機器人工程基礎及應用”，自動化系開設專業課程“人工智能”和實踐課程“機器人控制綜合實驗”；華中科技大學開設“機器人技術基礎”，面向機械、材料、能源和自動化等專業。北京理工大學開設“工業機器人技術”、實驗課程“機器人系統測試”，兩門課程均為機械工程學科中與機電控制相結合的專業子產品課；中南大學為機電一體化專業開設“機器人學基礎”；蘭州大學面向工科開設“大學教學機器人”課程，屬于機器人教育普及性質[14]。青海大學自2012年起，首先為機械設計制造及其自動化專業開設“機器人技術基礎”選修課程，而後拓展至機械電子工程專業。
國内大部分高校機器人課程設定在機械、自動化等專業，而被電氣工程、材料工程、計算機應用、能源等專業列入選修課程。随着機器人被廣泛應用，大學專業設定成為諸多國内高校的期待。2016年3月，教育部準許東南大學自動化學院設立機器人工程（080803T）四年制大學專業，成為首個機器人大學專業，培養目标為以機器人為核心的自動化生産線、成套裝置設計、研發和應用系統工程師。随後，安徽工程大學機械工程學院也設定了機器人工程專業，至此機器人工程專業作為國内大學專業而正式名列教育專業名錄，2017年已增至60所，涵蓋“雙一流”建設高校及高職院校[22]。2018年，機器人工程專業成為熱門專業。
随着機器人教育内涵的不斷延伸，僅僅局限于機械工程、電子資訊、計算機等少數幾個學科及其專業的機器人教育并不能很好地展現現代高等工程教育的“大工程”觀。縱觀近年來機器人技術的發展，機器人正在從工業環境逐漸滲透到家庭服務、娛樂、醫療輔助、公共服務等社會環境。自1989年以來，機器人技術在生物（仿生性能）、感覺方面的進步趨勢正逐漸超越計算機、機械和電子工程等傳統優勢學科[23]，然而我國高校在醫學、能源工程、環境科學、生物工程、材料科學等學科專業開展的機器人教育極其匮乏，無法适應機器人跨學科、跨領域的交叉發展特點[24]。而随着機器人應用領域的不斷拓展，所有專業的學生都可以從機器人感覺和機器人文化的角度出發，對機器人在人類社會演進曆程進行認知，了解機器人在當代工業、農業、社會服務和軍事等範圍内發揮的作用，分析和評價機器人技術和機器人文化的進步對人類社會和經濟産生的影響[24]。是以，多元度的機器人技術傳遞和文化教育，對于引導學生之間進行跨學科、跨專業的交流和創新具有重要的推動作用。
高校機器人教育的另一種重要形式就是各類競賽。對于國際上機器人公開賽，面向大學生最有影響力的是機器人足球競賽。機器人足球競賽組織包括FIRA（Federation of International Robot Soccer Association）組織和RoboCup聯合會。FIRA是由南韓創辦的組織，自1996年開始共舉辦了7屆賽事，足迹遍及亞洲、歐洲、北美洲、大洋洲，其舉辦的賽事成為各類國際機器人競賽中最具水準和影響力的賽事之一。FIRA中國分會于2000年在哈爾濱工業大學成立，到2011年共舉辦了13屆全國機器人錦标賽，從2012年開始，與國際仿人機器人奧林匹克大賽合并為“全國機器人錦标賽暨國際仿人機器人奧林匹克大賽”。RoboCup（Robotic World Cup）聯合會成立于1992年，1996年在日本舉行了一次表演賽，獲得了很大成功。RoboCup活動包括學術會議、機器人世界杯、RoboCup挑戰計劃、RoboCup教育計劃等。機器人足球世界杯是RoboCup活動的中心，包括小型機器人比賽、中型機器人比賽、Sony有腿機器人比賽、仿真機器人比賽等[25]。教育部主辦的中國機器人大賽暨RoboCup公開賽是中國目前最具影響力、最權威的機器人技術大賽，基本覆寫了中國最進階别的機器人專家和學者，其中最吸引人的還是RoboCup足球機器人比賽。
國際機器人競賽還包括機器人滅火競賽、國際機器人奧林匹克競賽（International Robot Olympiad Committee，IROC）、亞太大學生機器人大賽（ROBOCON）等[26]。
國内大學生機器人競賽除了上面提到的以外，有影響力的還包括“廣茂杯”中國智能機器人大賽（暨國際機器人滅火比賽中國賽區選拔賽）、全國大學生機器人電視大賽（暨亞太大學生機器人大賽的國内預選賽）、“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽及RoboMasters全國大學生機器人大賽等[26]。伴随“大衆創業，萬衆創新”口号的提出，國内各高校、各地區都積極響應，組織大學生科技創新活動，機器人也作為最活躍的競賽活動在各高校興起。
3.高校機器人教育存在的問題
盡管我國機器人教育取得了長足發展，但依然存在一些問題，主要整理如下。
高校機器人教學閱聽人面較窄。目前，國内大多數高校機器人專業教育還是面向自動化、機械、電子、計算機等專業的學生，過高的專業性教育提高了普通學生接觸機器人的門檻。僅有少數高校開設了機器人通識教育課程，面向全校工科專業。如前所述，機器人正與生物技術、醫療工程等學科進行着深度的交叉和融合，面向生物、能源、醫療等學科開設機器人應用課程，拓展學生對機器人的認識，對于促進機器人與其他學科的融合發展以及培養複合型人才有着重要的意義。
機器人教育資源匮乏，且開放性差。目前的機器人教育場地主要為各高校相關的機器人實驗室。而實驗室的場地有限，且機器人種類又與其實驗室的專業方向（多為研究方向）相關，并不全面，無法滿足高校大學生關于機器人的通識教育，這使得很多高校的機器人教育陷入停滞的狀态。國内高校還缺乏像日本千葉大學、美國俄勒岡州立大學那樣對多學科、多課程進行支撐的機器人教學平台。
中國小及高職學校機器人師資匮乏。國内能開展機器人教育的中國小均在經濟發達的城市，盡管如此，其專業的機器人教師依然匮乏，主要是部分有興趣的老師來指導（或者為競賽而專門臨時聘請）。中高職教育近年來得到大力發展，國家投入資金建設實驗室，也購置了很多教學型機器人，甚至是工業機器人，但其中很大一部分僅能用于參觀、示範，無法面向學生開設實操、程式設計和創新課程，其瓶頸在于缺乏師資。
以競賽為中心，忽略教育本質。無論中國小，還是高等院校，很多都是以競賽作為機器人教育進門磚。固然，通過競賽的手段能夠提高學生的積極性，并在一定程度上反映出學校的機器人教育水準[15]。但是，競賽僅針對參加的學生進行特訓，降低了機器人教育的閱聽人面；同時以競賽為中心開展訓練，容易忽略機器人的基礎教育。
0.3 新工科背景下的機器人學科
在新技術變革的程序中，作為核心環節的機器人應用迅速普及，産能快速擴張，國産品牌機器人進入規模應用，研發工程師需求量激增。機器人技術是涉及機械、計算機、電子、自動控制等學科的綜合技術，并在應用和發展過程中不斷與其他學科交叉融合，是以急需高校培養機器人專業人才來滿足目前需求[22]。而随着機器人應用的廣泛普及，機器人知識的普及教育也成為重要課題。
為适應新一輪技術變革和國家制造業發展戰略，高等教育也适時地提出了“新工科”概念，尤其強調新工程業态下工科人才培養模式的探索。作為智能制造的關鍵環節和典型的邊緣交叉學科，機器人技術是新工科背景下大力推動和發展的學科專業之一。一方面機器人工程專業從機械、電子和自動化等專業獨立出來，另一方面機器人技術與其他學科正進行更深入的交叉和融合。是以，高校機器人教育也需要近機類的專業培養和跨學科的通識培養并重。
0.3.1 新工科理念
為迎接新一輪技術變革，以新技術、新業态、新産業、新模式為特點的新經濟蓬勃發展。工程教育與産業發展聯系緊密、互相支撐，新産業的發展需要工程教育提供人才支撐。基于CPS的智能制造正在引領制造方式變革，産業的轉型更新與新産業形态的産生，産業發展模式的改變，對人才的知識結構提出了新的挑戰[27]。為适應新形勢需求，2017年通過“複旦共識”和“天大行動”正式提出了新工科概念，探索适應新技術變革的工程人才培養新模式。
新工科在秉承服務國家戰略、對接産業行業、引領未來發展和以學生為中心等理念的基礎上，拓展出新型學科專業、新生學科專業和新興學科專業，突出專業的引領性、交融性、創新性、跨界性和發展性[28]。新型學科專業指為了适應人工智能、大資料、雲計算、物聯網等新技術對傳統工程學科專業的影響，将傳統學科專業轉型、改造和更新而形成的新型學科專業；其核心就是工科專業的資訊化、數字化和智能化。在國家推進兩化融合的程序中，所有工科專業都躲避不開“轉型”而成為“新”專業。新興學科專業指全新出現、前所未有的新學科專業，主要指從應用理科孕育、延伸和拓展出來的面向未來新技術和新産業發展的學科專業。
新生學科專業指為滿足産業目前和未來發展對人才的需求，不同工程學科交叉複合或由工程學科與其他學科交叉融合而産生的新的學科專業。機器人工程專業就是機械工程、電氣工程、計算機工程、網絡技術、傳感器技術等多學科交叉複合的新生專業；拓展至其應用，機器人則更與生物技術、地質工程、醫療工程、農業工程等各領域融合發展，是典型的跨領域、跨學科、跨專業的交叉邊緣學科[28]。
0.3.2 機器人學科發展
從學科的演進史來看，呈現出“分化–綜合”的态勢。17、18世紀科學學會的成立标志着知識劃分史上的突破，實體、化學、生物等從自然哲學中分離出來成為獨立學科，社會科學從道德哲學中獨立[29]。學科劃分在保證知識系統性的同時卻割裂了科學的完整性。面對經濟、社會發展問題的日益複雜化，單一學科知識日趨無力，跨學科研究已在美國研究型大學中普遍開展[30]。
機器人是典型的交叉學科，是二戰以後伴随計算機技術、資訊技術和控制理論等學科發展而誕生的，并且與機械工程深入交叉。從1954年德沃爾（George Devol）制造第一台工業機器人開始，機器人技術經過70餘年發展，已經成為機械工程、控制理論、材料工程、計算機工程和仿生學等衆多學科互相交融的複合學科。單以工業機器人為例，其所涉及的知識體系包括微積分、矩陣分析、力/運動學、光學、電學、機械原理、控制原理、電子電路、信号與系統、動力學、傳感器、通信原理、圖像處理等數學、實體、機械工程、電氣工程等多個學科的基礎知識[22]。
而機器人正在從工業應用型向服務型轉變。在這個轉變過程中，機器人應用領域被極大拓展，同時也與人工智能、大資料、生物工程、材料工程、醫療工程、農業工程、食品工程，甚至是管理科學進行着深度的交叉融合。機器人學科充分展現出“新工科”理念下的新工程業态，并逐漸像計算機一樣成為人類工作、生活中必不可少的工具。
回歸到本書的目标，就是以機器人教育為載體，回顧機器人曆史和發展曆程，把握機器人技術的進步，暢想機器人的未來發展趨勢。在此基礎上，充分展現機器人在各領域、各學科以及各産業的延伸和拓展，推動多領域、多學科的專業人才之間的技術共享和交流，有效激發他們的創新思維和協作能力，建立起現代高等教育的“大工程”觀。同時，面向大衆普及機器人技術及其應用的知識，營造機器人文化氛圍，為迎接機器人普及時代的到來做好準備。
0.4 本書結構
本書共分五章，主要内容簡述如下：
第1章主要介紹“機器人”的詞語起源、機器人定義、機器人分類、機器人組成部件及相關技術參數等基本概念。
第2章系統回顧了“前工業機器人時代”國内外機器人的起源和發展曆史。梳理了我國古代記載“機器人”的文獻。按照戰國之前、秦漢至南北朝、隋唐至宋元、明清時期的時間順序對我國“古代機器人”進行了闡述；國外方面，從古希臘神話展開，重點介紹了達·芬奇時代、15～18世紀期間以及近代的機器人。現代機器人暢想部分則從科幻小說、影視作品方面介紹了現代幻想中的機器人。
第3章主要闡述了20世紀50年代第一台工業機器人出現到21世紀初的機器人發展曆程。按照第一代示教再現、第二代感覺型和第三代智能型對機器人發展曆程做了詳細分解。三代機器人的發展曆程可以看作“機器+人的動作”“機器+人的感覺”及“機器+
人的智慧”的機器進化過程。
第4章在介紹全球機器人發展戰略的基礎上，分行業領域對機器人的應用狀況做了詳細闡述。在工業機器人方面，細分到搬運機器人、焊接機器人、裝配機器人、打磨抛光機器人和智能化産線；在服務機器人方面，細分到家用服務、醫療服務（細分至外科手術、康複訓練和人工智能診療系統）和公共服務等領域；特種機器人則介紹了救援、軍用和微型機器人，以及無人機和無人駕駛汽車等。
第5章分析了機器人發展的兩個趨勢，即“向人”和“向機器”的對立屬性發展，并介紹了未來可能出現的颠覆性機器人技術，包括軟體機器人、金屬液态機器人、生物機電及人工情感機器人等。最後圍繞道德、法律、責任、義務、權利等對機器人倫理問題進行了讨論。