从上太空到扫地雷,看看全球最大扫地机器人iRobot从差点倒

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28 年前,在 MIT 攻读硕士学位的科林·安格尔被导师罗德尼·布鲁克斯教授叫进了办公室。

当时,科林·安格尔已经在 MIT 加入了 CSAIL 实验室,他的毕业设计是一个仿造蚂蚁躯体的六脚机器人,叫 Genghis。在那个机器人动辄像卡车一样笨重的年代,Genghis 不仅小巧,而且灵活自如。

「科林,我在想我们要不要把 Genghis 的研究商用,做一家公司。」

导师话音未落,还没说出「公司」,安格尔就一口答应:「可以啊,我来。」

这就是 iRobot 的起点——全球最大的家用消费机器人公司,他们製造的扫地机器人在全球销量超过 2000 万台。

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photo credit: irobot
想让机器人走出科幻电影,iRobot 进入了各行各业
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回忆起 28 年前的得意之作 Genghis,安格尔立刻从执行长变成了神采飞扬的工程师:「我们从蚂蚁等昆虫身上找到了灵感。蚂蚁的大脑非常简单,但肢体却非常灵活。这意味着机器人未必需要依赖一个超级电脑的强大的运算能力,也可以赋予强大的行动力,只需要先分拆目标,再设置移动性。」

这种激进的设计与当时主流的「自上而下」的机器人设计模式完全不同,实际上今天扫地机器人的产品设计依然沿用这套方法论。凭藉这个机器人,科林·安格尔赢得了当年 MIT 最佳本科毕业生,这台机器人如今陈列在华盛顿史密斯国家太空科学博物馆。

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熟悉电子工程和人工智慧等多个交叉学科,安格尔不希望机器人停留在实验室阶段,成立 iRobot 的目标非常明确,那就是做出实用化的机器人,但当时他并不知道应该从何做起。

「当时不存在机器人行业,也没有先例可以藉鉴。儘管有很多的科幻小说对机器人的角色有一些描述,但是他们对于机器人在未来所扮演的角色、定位都是错误的。」

安格尔自儿时起就是《星球大战》的粉丝,正是影片中那个毫不起眼的 MSE-6 机器人燃起了他对机器人的热情。说来有趣,公司成立之后的第一个项目就与探索外太空有关。

1991 年,iRobot 把 Genghis 的设计应用到太空探索车上,这种小型机器人大幅降低了成本,而这种结构设计最终成就了 1997 年踏上火星的「Sojourner Rover」。刻有安格尔名字的火星车如今还陈列在美国太空总署 NASA。

在很长一段时间,iRobot 的方向都是为美国政府和军方提供太空探测、军事救援等特种机器人。在 iRobot 总部的历史长廊,你可以看到各种千奇百怪的机器人,它们上天入地,涉及太空、国安、医疗、清洁和玩具。

2002 年,iRobot 设计的一种机器人钻进了埃及胡夫金字塔法老室墙壁上一个 20 厘米见方的洞口,机器人在石壁上钻孔并拍照的过程,被全世界直播观看。

而在军事领域,搜救机器人是 iRobot 找到的一个实用化方向。当时美国在阿富汗的驻军常常需要排查洞穴,但这个工作非常危险。

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士兵準备用 Packbot 进行排弹

iRobot 为此研发了 Packbot 机器人以替代士兵完成任务,投放在战场上的 6000 多台 Packbot,大约有 1000 多台在执行任务中被炸毁,这意味着机器人挽救了几千条生命。

Packbot 短暂地成为 iRobot 的营收来源。它的后续产品曾在 911 事件中进入世贸大厦搜寻倖存者,还参与了阿富汗及伊拉克战争的搜救工作,并于 2011 年进入日本福岛核电厂检测核辐射。2014 年的巴西世界盃和 2016 年的里约奥运会也採购了 PackBot 作为保全机器人。

由于战争以及政府订单的不确定性,这块业务也没能支撑起 iRobot 的发展。直到 2016 年初,公司把这块业务出售了出去。「我们做过 20 多种不同的尝试,有些是因为技术而失败,有些是市场尚未成熟,有些则是因为我们对机器人的理解有所偏差。」

在创业的前六年半中,iRobot 整个财务状况都是入不敷出的,但这些项目让 iRobot 积累了不少技术资本,比如扫地雷机器人的技术,就直接应用到后来推出的扫地机器人的清洁演算法上——不管是扫地雷还是清洁,首先得保证机器人毫无遗漏地覆盖每一片区域。

iRobot 还短暂地进入过消费者市场,他们与着名玩具厂商 Hasbro 合作,把机器人做成玩具,比如把感测器植入洋娃娃,让洋娃娃具备喜怒哀乐的表情。「市场证明玩具也不是一项好的生意,但我们却从中学会了如何以几百美金的价格生产一台机器人。」

造出第一台扫地机器人,是在公司成立 12 年之后

在位于美国麻萨诸塞州 Bedford 的 iRobot 总部,一片区域正在翻修,儘管一片狼藉,但橱柜、沙发、浴缸以及摆放各种建筑材料,都告诉你这不是办公区。

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photo credit: irobot

这里是 iRobot 的实验室。

在过去近十年的岁月长河里,iRobot 的机器人在这里划过了无数的轨迹。但没人想到的是,从 1990 公司成立到第一台扫地机器人走出实验室,走了 12 年的路。

家用扫地机器人的诞生,最早可以追溯到 1996 年,瑞士家电品牌伊莱克斯製造了一台名叫「三叶虫」的扫地机器人,无论是设计,还是避障的设计思路,

这都是一台颇具现代感的机器人。只不过在那个年代,扫地机器人还是个非常稀罕的家电,价格非常昂贵,也并没有很聪明。

90 年代末,iRobot 和清洁公司 Johnson Wax 合作推出了大型清洁机器人,这是 iRobot 第一次把机器人功用性放在清洁目的上。不久之后,公司决定打造家用扫地机器人。在那个年代,感测器数量少质量差,把清洁机器人做小是一件很有挑战的事。

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团队希望优先保证扫地机器人的覆盖度和清洁程度,不管花多少时间。为此,他们制定了一套清洁策略:首先对一片比较大面积的区域进行打扫,完成之后再沿着墙面去到另一片区域,以此往复不断切换。

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photo credit: techhive

而在具体产品形态上,Roomba 採用了边刷、滚刷、吸尘口的三段式清扫结构,大大提升了清扫能力,这一设计也成为如今扫地机器人的主流设计。

2002 年,第一台 Roomba 扫地机器人走出生产线。

后来,Roomba 研发出了污垢探测技术,机器人会通过物体撞击的声音以及视觉传感器探测有没有遗漏的髒物,如果某块区域特别脏,机器人会在此处反复清扫。

Roomba 的第二次进化,目标是清扫的「完成率」和「覆盖率」。

早年的扫地机器人,通常是随机乱撞的,它会行走大量的重複路线,归其原因是机器人不了解周边的环境,也不知道自己所处的位置。

后来 iRobot 在高端系列加入了 vSLAM 技术,让 Roomba 搭载了一个 35 度倾角的摄影镜头,它像一双眼睛,可以不断地「看到」家庭墙面的特徵,从而对家居环境进行一个画像。具备了定位和建图的能力,机器人就可以进行合理的路径规划。

测试是工程师日常一项非常重要的工作,iRobot 搭建了数个空间去测试 Roomba 的实用性。

在一件玻璃封闭的实验室里,一名测试人员 将 Roomba 扫地机器人固定在一台铺着红色地毯的仪器上,仪器会在地毯上进行喷尘处理,Roomba 随后沿着固定轨迹进行清扫,通过 5 次重複测试,并对清扫前后的尘盒进行秤重,测试人员就能测算出一台扫地机器人的吸尘能力。

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photo credit: irobot

如果没人提醒,有些实验室可能会被误认为位于公司一隅的员工宿舍——从布局到装饰,从家具到生活用品,这些实验室模拟了美国家庭的日常陈设。

但你还是能看出一些区别,比如墙角用于监控的摄影镜头和迥异的家居风格。实验人员表示他们把会榻榻米和地毯混搭在一起,以此来考验扫地机器人在複杂材质地面的表现。

工程师也会把 Roomba 带回家中测试,放在真实居住环境中更有利于发现问题。比如毛髮容易缠绕在扫地机器人毛刷上的这种问题,就是在测试中发现的。工程师因此做了不少改进,比如在高端型号产品里用上锯齿胎面设计的双胶棒主刷。

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Roomba 900 系列採用双胶棒主刷避免毛髮缠绕

「我们计划把 2000 平方英尺的实验室扩张到 4000 平米,因为我们推出了针对大户型的 Roomba 900 系列之后,IEC 标準已经无法适应我们的产品测试了,我们就新建了一个。」iRobot 产品管理总监 Ken Bazydola 说。

Bazydola 口中的「IEC 标準」是国际性电工标準化机构针对扫地机器人的标準化测试,这套标準对扫地机器人的除尘能力、覆盖率、甚至细化到边角除尘能力都有明确的要求。

相比高仿家庭环境的空间,IEC 测试的空间更像标準化的实验室,比如比如考察扫地机器人覆盖能力的 IEC 测试,就是在一个 6 米平方的房间里,房间里没有家居,只是通过简单的木桩和电线来模拟家庭的情况。

儘管位于美国东岸,iRobot 这家工程师文化色彩浓厚更像一家硅谷初创企业。在 iRobot 总部的一面玻璃墙上,写着 5 句口号:Build cool stuff、Deliver Great Products、Make Money、Change the World,但最突出的那句是——Have Fun。

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机器人的未来

除了 Roomba 扫地机器人,iRobot 还在美国市场上推出了 Mirra 游泳池清洁机器人和 Looj 屋檐雨水槽清洁机器人。从第一代 Roomba 到现在 900 系旗舰,Roomba 已经走过 16 年的历程。

「Roomba 仍然只是一个青少年。」安格尔说,iRobot 虽然已经成立 28 年了,但今天依然处在起步阶段。很大程度上,这是整个机器人行业的现状,资料显示,家用机器人还只是一个一年能卖 30 亿美元的小生意。

这背后,有技术的限制。在安格尔的认知里,机器人与人一样,应该具备感知、行动和思考三种能力。扫地机器人初步具备了这些能力,比如 Roomba 会通过传感器感知到障碍物,从而採取绕开的行动,当清扫大面积房间的时候,如果机器人判定电量即将耗尽,它便会通过自身创建的地图规划出便捷的路线。

但机器人还做不到更高维度的思考。安格尔举了一个例子:一句简单的「请到厨房,拿一瓶冰水」,就足以让人工智慧的研究者为此付出 20 年的努力。「我们现在还没有技术可以让机器人知道厨房在哪里、冰箱在哪里、冰箱上的把手在哪里、甚至怎幺样把冰箱打开。」

在过去几年,儘管语音识别和人工智慧得到突飞猛进的发展,但理解一句话并不意味着机器人能够理解环境。

「iRobot 如今是因为扫地机器人而闻名,但我希望我们是因机器人之智慧而闻名。」安格尔表示,去年公司投入了 1 亿美金,继续探索机器人的应用方向。他相信机器人会变得越来越有能力,成为人们生活的帮手。

在可以看到的未来

,智慧家居将会是 iRobot 重点研发方向。目前 iRobot 已经和亚马逊 Alexa 以及 Google 合作,实现对 Roomba 的语音控制。

iRobot 的技术副总裁 Chris Jones 表示,机器人会在智慧家居扮演重要的角色,因为行走意味着它可以了解整个家居环境,从而给其他智慧家居设备提供空间讯息,而这些讯息对整个智慧家居的生态系统很有价值。

Robo Madness 是波士顿地区一年一度的机器人大会,这里聚集了波士顿湾区最顶尖的机器人和 AI 公司。今年的 Robo Madness 放在了 iRobot 的总部举办。

作为东道主出席的执行长安格尔没有西装革履,依然一幅神采奕奕的样子,隔着外套,那件机器人的《星球大战》文化衫若隐若现。「在科幻电影和小说的描绘中,我们看到的机器人是这样的。」安格尔指着屏幕左侧一台有着钢铁身躯的人形机器说道,「但这也是机器人。」屏幕上右侧出现的是一台 Roomba。

而在另一张 PPT 中,Roomba 和一些形态千奇百怪的机器人一起出现屏幕左侧。「嗯,这些是机器人。」安格尔重複道。

「但这也是机器人!」

一栋豪宅赫然出现在屏幕上。

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