迈克尔·道森-哈格蒂冲进我的办公室时，身穿一件熏黑的石灰色焊接外套，脸上带着灿烂的笑容，我就知道他和他的搭档赢了。他们的测试：焊接一个悍马（一种在伊拉克和阿富汗随处可见的军用车辆）的金属空间框架，要比一支拥有数十年经验的专家团队更快。
这是道森-哈格蒂的第一份正式工作——他刚刚完成硕士学位，加入了卡内基梅隆大学机器人研究所的工程人员——可以公平地说，刚开始时他有点紧张。说实话，我更担心他的搭档，他足够可靠，但通常缺乏人际交往能力。
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这个项目的合作者是一个机器人，类似于我们在福特或通用汽车的装配线工作中通常看到的那些巨大的工业机器。然而，那些机械巨兽在笼子里操作，以确保人类安全地远离无情的自动化推力，而我们改装了 Spitfire——我们 13 英尺高、配备激光眼的单臂焊接机器人——使其能够与人并肩工作。而且，不是 Spitfire 听从道森-哈格蒂的指令，而是团队倾向于反过来工作：机器人指示下一步，定位和焊接的艰苦工作在道森-哈格蒂和 Spitfire 之间分配，根据谁能最有效地完成任务。通常是机器人，而不是人类，发号施令。
由于工作如此分配，道森-哈格蒂和他的机器人搭档在 10 小时内以 1,150 美元的价格建造了框架，包括原材料和人工。我们雇来作为对照组的专家在 89 小时内完成了相同的任务，并向我们收取了 7,075 美元的费用。
人类与机器人协同工作以及反之亦然的经济后果可能是巨大的。工厂可以摒弃精心配置的装配线，节省数十亿美元的设备安装成本。需要修改受欢迎的产品？人机团队可以定制任何产品，从电子产品到飞机，而无需昂贵的重新工具。这项技术将使公司能够快速响应消费者需求，以周而不是年来衡量产品更新周期。工人们应该会发现工厂车间不断变化的挑战是有益的。由于这些以及更多原因，我们需要认识到，机器人最终可能更适合担任主管，而不是奴隶。
保持冷静
关于“机器人”究竟是什么，一直有很多讨论。机器人研究界将机器人定义为可以感知、思考和自主行动的机器。这不太正确——你家的恒温器可以做到所有这些事情，但你不会把你的房子归类为机器人。区别在于你的恒温器只是你房子功能的一小部分。只有当“机器人”功能用于服务于物体的核心责任时，该物体本身才能被视为机器人。例如，当自动驾驶汽车使用传感器和人工智能来实现交通运输（汽车的基本功能）时，它就变成了机器人。
半个多世纪以来，制造商一直在部署机器人，以通过自动化提高效率。然而，机器人一直是专用机器——例如，擅长焊接装配线上每辆汽车的特定组接头。人类一直在进行组织工作，设置装配线以利用机器人的优势和精度。
对于汽车等以数万辆计的装配线下线的产品，该工艺效果良好。然而，随着按需定制制造的兴起，供应商按需创建小批量产品，焊接或加工等工艺的设置时间成为主要的瓶颈。为机器人准备工作所需的时间太长了——有时需要几个月。人们必须计划焊接顺序、紧固零件、编程机器人、准备原材料并优化焊接参数。
让像道森-哈格蒂这样的人与制造机器人合作可以大大缩短设置时间。过去，程序员使用特殊代码来告诉机器人如何移动。现在，只需产品的计算机辅助设计 (CAD) 文件即可设置智能装配线。算法会将这些设计转换为机器人的待办事项列表。
然而，设计装配线并不是唯一的挑战。机器人和人类一直难以协同工作。工业机器人从一个位置移动到另一个位置，并且基本上坚持到达最终目的地——无论是否有人挡路。制造商对机器人进行编程，使其重复执行相同的任务，直到零件用完。如果刚性物体使移动变得不可能，工业机器人就会进入错误状态并基本上断电。这种情况比穿过某人的头部要好，但两者都没有帮助。想想如果同事们在靠得太近时就僵住了，会完成多少工作。
下一代工业机器人本质上对人类是安全的。如果机器人不小心撞到人，撞击不应是致命的，甚至不应是危险的。机器将了解工作空间中人员的位置，并且应该能够使用语音、手势、“面部”表情、文本和图形与人类伙伴交流。
机器人制造商已经在制造机器以满足现代制造业的劳动力需求。Spitfire 基于总部位于苏黎世的 ABB 制造的机器人，并增加了在卡内基梅隆大学设计和制造的特殊功能。ABB 还提供 Frida，这是一款旨在在人员周围安全运行的双臂机器人。与此同时，总部位于波士顿的 Rethink Robotics 由 iRobot 联合创始人罗德尼·布鲁克斯创立，开发了 Baxter，它也配备了双臂和一系列传感器，使编程比上一代机器人更容易。
操作员通过手动引导 Baxter 完成一系列动作来对 Baxter 进行编程，机器人稍后会重复这些动作。这项壮举是通过简单的学习算法和图像处理来实现的。例如，如果一个人向 Baxter 展示如何从移动的传送带上拣选零件，Baxter 将适应并学习如何做到这一点——即使零件以不规则的位置和时间从传送带上下来。
位于加利福尼亚州门洛帕克的 Willow Garage 创建了一个名为 PR2 的移动演示机器人，它有两个手臂、一个头部和一系列传感器。与 Frida 和 Baxter 一样，PR2 的设计宗旨是与人类并肩安全工作。在卡内基梅隆大学，我们使用 PR2 在相对混乱的环境中为访客提供饮料和小吃。
恭敬的待遇
Spitfire 不仅向人类学习。它也足够聪明来指导他们。Spitfire 将大型项目分解为小步骤，并根据谁能更快地完成任务（机器人或人类）来分配这些任务，对两者都没有偏好。
道森-哈格蒂和 Spitfire 开始他们的框架焊接工作，首先从空间框架的 CAD 描述中提取“材料清单”。根据这份购物清单，机器人的计算机自动计划从供应商处订购哪些零件，以及如何将标准尺寸的钢管切割成精确的长度。然后，计算机计划了执行焊接操作的最佳顺序，并指定了固定零件的最佳方式，以便在焊接过程中牢固。
我们还为 Spitfire 配备了一个微型教室投影仪，以便它可以将图像和文本直接显示在空间框架上。这些图像变成了一种增强现实。机器人使用其投影仪逐步告诉道森-哈格蒂如何设置复杂的建造过程——零件和夹具在工作空间中的位置以及焊接操作的顺序。道森-哈格蒂将所有东西都移到位。在这里，人类是更好的选择，我们将其视为“体力活”，因为零件相对较轻，并且形状各异，很容易被人手抓住。
Spitfire 还使用其激光位移传感器来准确感知其三维工作空间，并检查以确保所有零件都已正确对齐。使用投影仪和传感器，它可以突出显示空间框架上的精确位置，并引导人类完成建造过程。
一旦团队安排好要焊接的零件，Spitfire 就可以接管并快速完成该工作。Spitfire 不仅焊接速度快——焊接两英寸只需五秒钟——而且其焊缝非常出色。通常在每次工作之前，焊接专家都会调整大约 20 个关键的焊接参数，例如电压、焊接速度和焊丝送丝速度。在我们的实验中，我们指示 Spitfire 设置试验，它可以自行运行以优化所有这些变量。随着这些实验的进行，Spitfire 测量了试验运行的结果并调整了其设置以提高其性能。机器人自学成为一名焊接专家。
考虑到空间框架需要 400 处焊缝，Spitfire 的速度和能力是一个巨大的优势。但 Spitfire 并非完美无缺。在某些情况下，机器人无法到达特定的焊缝，因此它指示道森-哈格蒂介入以执行棘手的操作。
灯光亮起
虽然很难准确预测人机团队何时首次在工厂车间翩翩起舞——制造商通常不愿采用新技术——但智能自动化的明显优势应推动公司在未来五年内转向协作系统。我们对先进制造业的愿景已经与库尔特·冯内古特 1952 年的小说《Player Piano》（《自动钢琴》）中闻名的“熄灯”生产相去甚远，在小说中，自动化工厂完成了所有工作。正如故事所说，自动化使劳动力变得过时，但也使人们因毫无意义的生活而感到痛苦——这是一条不可接受（且不必要）的道路。
更好的前进方向是机器人和人类作为团队合作，其中任务根据能力动态分配。希望人们可以从深入参与制造过程的满足感中获得乐趣——即使他们有时会听从机器的指令。