专家视点:启用 5G 和机器人技术的未来

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专家视点:启用 5G 和机器人技术的未来

5G 开发和部署正在加速,尤其是在亚洲。现场各种试验正在进行中,产品组件即将推出,测试涵盖的范围不止一种。那么,有哪些挑战以及生态系统是如何形成的?接下来,我们一起来探讨。

如果说机器人技术和蜂窝通信似乎是一对奇怪的伙伴,那是因为第五代无线技术5G是第一个通过无线方式解决此类应用需求的技术,而不是像前几代一样只是提高数据速率和扩大覆盖范围。这一雄心勃勃的标准被全球电信业监管机构国际电信联盟(ITU)称为IMT-2020,它将彻底改变蜂窝网络的建设方式、它们可以连接的设备、它们运行的频率以及它们服务的应用,从而实现这一目标。

第五代无线技术将为新一代机器人铺平道路,其中一些机器人可以通过无线而非有线通信链接自由漫游,并利用云计算和数据存储资源。凭借这些功能,机器人可以近乎实时地动态精确控制,并在本地和全球范围内与人和机器连接。简而言之,5G 将全面支持诸如“未来工厂”之类的应用,以及许多以前超出蜂窝和机器人技术能力范围的应用。

但是,他们还需要人类吗?

如今,围绕机器人以及它们将如何与人工智能(AI)一起统治世界,有很多争议,其中一些涉及人类命运的相当严峻的未来。机器人的拥护者认为,机器人是人类的补充,而不是取代人类,而且机器人还能完成一些人类不擅长的功能。另一方面,一些人认为机器人可以在制造业和其他行业取代人类,从而减少数以百万计的工作岗位。机器人最终是否会看不起人类还有待观察,但5G几乎肯定会让它们比以往任何时候都更高效地工作,为更多的应用服务。

机器人在制造业中已经无处不在,其中汽车行业可能是最明显的例子。其他关键应用示例包括工业和医疗。 5G 中的创新将进一步扩展其能力,因此有必要扩展对机器人的真正定义。例如,自动驾驶汽车是机器人,执行来自大量传感器的指令以做出决策和执行功能,而且比人类更准确、更可靠、更快。无人机和其他无人驾驶车辆也属于这一类。

要理解5G和机器人之间的协同作用,没有比医疗保健更好的例子了,在医疗保健领域,机器人具有巨大的潜力。在5G通信和云的帮助下,机器人不仅将执行普通的功能,比如在医院里把东西从一个地方转移到另一个地方,还将实现远程手术,即医生远程安排手术,在本地由机器人执行手术。早在 2001 年,内分泌外科医生 Jacques Marescaux在一次被称为林德伯格行动活动期间,在距离约 6,200 公里的纽约市的一个控制台上切除了一名法国斯特拉斯堡患者的胆囊时,首次证明了这一点。

专家视点:启用 5G 和机器人技术的未来

把时间向前推到2025年左右,想象一下一家医院的手术室里挤满了机器人和人类,他们通过5G和云与地球上任何地方的外科医生进行协调。他们可以得到一个或多个地点的专家的帮助,这些专家可以提供他们的专业知识,所有这些都是实时的。尽管这看起来很奇妙,但这只是个开始:利用虚拟现实(VR)和无处不在的云技术,应该有可能将图像扫描转换成一个虚拟的、三维的(3D)病人的表现。

使用这种“数字克隆”,外科医生将在一个或多个机器人执行实际手术的同时,在患者的虚拟化上远程协调手术。由于骨骼、组织和器官都会有不同的“感觉”,因此医生将拥有触觉但虚拟的“体验”。远程手术的全面措施可能在十年内不会成为现实,但随着 5G 和机器人技术的成熟,它将继续分阶段推进。

那么,为什么不是现在?

除了实现远程手术和其他下一代机器人应用所需的机器人和整个“生态系统”仍处于起步阶段这一事实之外,当前的 4G 网络根本不具备使它们成为可能所需的特性。也就是说,由于它们需要几乎瞬时的响应时间,因此必须将称为延迟的指标降低到前所未有的水平。延迟基本上是指在通信链路中的一个点启动输入与从另一点以无错误输入返回之间的时间跨度。低延迟对于未来机器人技术的高可靠性以机器为中心的通信至关重要。

当前的 4G 长期演进 (LTE) 蜂窝网络的往返延迟约为 50 毫秒,但为了支持机器人等应用,5G 标准认识到需要<1 毫秒,这是一项巨大的技术挑战。与将延迟降低到如此微小的水平相比,5G 的其他承诺优势(例如云计算和提高数据速率)相对“简单”,因为它面临着不变的物理定律。

要理解这一点,请考虑真空中的电磁辐射速度为 3 x 108m/s。由于地球的大气层不是真空,因此由于大气空气,这个最高速度会略微降低。然而,由于进一步的考虑,包括光纤、地面和卫星通信链路以及信号必须通过的电子设备和互连,其传播速度会大大降低。结果是 A 点和 B 点之间的物理距离越短,延迟时间就越短。这就是 5G 打算如何实现将这一指标降低到<1 毫秒的目标。

5G 将要求共同构成云的数据中心的数量在地理上大幅扩展,因为一个位置的数据中心可能与大多数其他位置相距太远,无法将延迟时间减少到可接受的水平。这种扩展与大于 1Gb/s 的数据速率和新蜂窝频率的使用(比目前使用的频率高一个数量级)相结合,将成为使 1 至 100 公里的距离覆盖不到 1 毫秒的延迟的基本要素。

工厂,重新构想

5G 将在创建未来工厂方面发挥关键作用,这是另一个延迟小于 1 毫秒的应用。与云中几乎无限的处理和数据存储相结合,5G 通信将使下一代制造环境中的机器人能够比现在做更多的事情。机器人将能够在它们自己和工厂员工之间交换大量信息,与其他支持 5G 的设备(如可穿戴设备)和增强现实 (AR) 等技术一起彻底改变“车间”。

专家视点:启用 5G 和机器人技术的未来

工程师可以控制和检查智能工厂中的自动化机器人

由于机器人将变得可移动并能够与人互动,因此在提高产品质量和操作员安全性的同时,还可以实现生产吞吐量的显着增加。为了在整个重新构想的工厂中保持极低的延迟,有必要严重依赖网络内的边缘计算。边缘计算为实际应用程序所在的网络“边缘”带来了智能和功能,类似于分布式计算几十年前所实现的。

田野中的机器人

专家视点:启用 5G 和机器人技术的未来

机器人通过 5G 和基于 GPS 的地理定位的“解绑”将使它们能够执行今天不可能实现的功能。例如,在农业领域,机器人可以在田间漫步,监测生长条件,并将视频和其他传感器信息发送回几乎位于任何地方的计算机,甚至可以执行喷洒、修剪和收割等活动。一家名为 FFRobotics 的公司开发了一种所谓的新鲜水果机器人收割机,它将机器人控制与图像处理软件算法相结合,使其能够找到和区分可销售和损坏的产品以及既不成熟也不坏掉的水果。

一种称为高通量植物表型 (HTPP) 的技术结合了遗传学、传感器和机器人,可用于开发新的作物品种,以及提高营养成分和对环境条件的耐受性。这将通过使用机器人上的传感器来测量各种特征并将他们的发现发送回几乎可以位于任何地方的科学家进行分析来实现。正在开发其他机器人来种植和跟踪种子,以提高人们现在从事的农业和农业的许多其他方面的效率。未来,许多可能会由远程控制的机器执行。

总结

重要的是要记住,5G不会在一夜之间改变机器人,因为实现这一目标的许多应用和技术今天不是处于萌芽状态,就是在开发中,或者只是在绘图板上。相反,5G应该被视为电信新时代的开始,首次完全实现机器人和许多其他应用。此外,移动机器人要成为一项成熟的技术还有很长的路要走,从制造业和生产到农业、搜救行动、广泛的搜救行动等领域的大规模应用,可能还需要数年的时间。

5G 将需要在网络的各个方面进行大量创新,从毫米波通信系统的开发到软件定义和虚拟网络架构,以及使许多机器人在小范围内运行的新无线接入方法互不干扰。隐藏在这一切之上的是延迟,研究人员必须找到一种方法将其降低到几乎不重要的程度。

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