「以柔克刚」,软体机器人的崛起

机器之心   2017-08-13 11:20

与特斯拉工厂的焊接机器人,亚马逊仓库里的 Kiva 机器人、无人机这些常见的主流机器人不同,作为非主流机器人代表的软体机器人具有灵活性和柔韧性,能够在三维空间中自由活动,已被用于食品、物流行业,在医疗健康以及抢险勘探也有着广泛应用前景。虽然目前多停留在小规模应用和学术研究范围中,依靠政府和少数有兴趣公司的支持,但它会是人工智能和人类未来。

撰文 | 微胖

2017 年 2 月 14 日,情人节。

在位于马萨诸塞州剑桥市的软体机器人公司 Soft Robotics ,一名工作人员将一款心形棉花糖放在传输带上,接着,机械手将这些棉花糖一个个夹起来,轻轻放进附近盒子里。机器手由四方橡胶、亮蓝色指状物组成,指状物可以猛地咬住目标,就像章鱼捕捉猎物一样。

在位于马萨诸塞州剑桥市的软体机器人公司 Soft Robotics ,一名工作人员将一款心形棉花糖放在传输带上,接着,机械手将这些棉花糖一个个夹起来,轻轻放进附近盒子里。机器手由四方橡胶、亮蓝色指状物组成,指状物可以猛地咬住目标,就像章鱼捕捉猎物一样。

「以柔克刚」,软体机器人的崛起

虽然谈不上浪漫,但这是值得纪念的一幕。机械手可以根据物体形状更自动妥帖的调整「手」的形态,成功操作柔软不规则物体——棉花糖,全程无需计算机视觉系统或任何预先编好的程序来识别物体。

上市以来,Soft Robotics 机器手在食品运输领域取得了最大成功。如今硬件厂商和零售商利用该公司的机器手,抓取并打包从巧克力、注塑模具到披萨生面团的任何东西。

「我们关注这项研究已经很长一段时间了,它现在终于从实验室走向商业化。」哈佛大学软体机器人专家 George Whitesides 说。Soft Robotics 公司出自他在哈佛大学的研究小组。

过去五年,软机器人技术正在爆炸。「世界第一个全软体机器人 Octobot 的诞生,意味着一个新时代已经来临,软体机器人即将全面超越传统钢铁铸成的机器人。」意大利理工学院的 Barbara Mazzolai 和 Virgilio Mattoli 联合在《自然》杂志上撰文表示。

现在,机器人应用从 95% 的工业应用扩展到更多领域的非工业应用,比如手术、采摘水果、剪枝、检修、侦查等。微型机器人已成为一个新方向。「软机器人将会是一个非常大的交易市场。它将拥有一些硬机器人没办法实现的能力,为机器人领域打开一扇新大门。」George Whitesides 说。

软体机器人先驱、MIT 机器人实验室主任、美国国家工程院院士 Daniela Rus 将软体机器人列为机器人领域十二大前沿技术趋势之一。在接下来几年,人类将看到使用与人类体肤接近材料的软体机器人,全球领先电子行业媒体 AspenCore 分析认为,软体机器人将崛起。

仓库里的机械手

将一定比例的饭,鱼肉和其他美食打包到一个塑料餐盒,即为一份便当。在日本,便当市场规模达 70 亿美元。但是,深夜为便利店备货便当的苦差事,仍然依赖人工。豆腐、蔬菜很软,形状也不规则,传统机器人很难抓取,安川电机运动控制负责人 Akira Kumagae 说。安川电机正进入新的机器人应用场景——食品行业。

「机械手(manipulator)是典型机器人难题之一。」Daniela Rus 在其发表于 Nature 文章 Design, fabrication and control of soft robots 中 写到。身为生鲜食材「搬运工」的净菜电商也面临同样问题。据报道,美国净菜市场总额为 22 亿美元。中国电子商务研究中心的一份报告显示,2017 年国内生鲜电商整体市场规模可达 1500 亿元。

「在抓取和操作未知物体方面,软体系统有着天然优势,因为软性抓取器可以通过简单控制策略,自适应各种目标物体。」Rus 写道。传统机器人抓起一只球,需要感知周围,计算手指与球之间的精确距离,还要算出手要放置的确切位置以及需要施加多大力道。软体机器爪只需一个充气的命令。充满气后,它的形状会和物体外形一样,「手指」也有了充足抓力来提起物体。

就像我们的手会自动适应要拿的物体。「自然——真实世界,是弯曲的。」位于旧金山的独立研究实验室 Otherlab 的联合创始人兼首席执行官、软体机器人专家 Saul Griffith 说。

据报道,在欧美,德国净菜电商 HelloFresh(也是欧洲最大,最先 IPO 的净菜电商)、 最近拟 IPO 的美国净菜电商 Blue Apron,还有 Plated 都使用了软体机器人。今年早些时候,位于北京的软体机器人创业公司软体机器人技术(Soft Robot Technology)推出了一款硅胶材质「机械手」。充气时,这款柔性夹爪会胀大,自适应包覆住不同尺寸、形状和重量的目标物体。据介绍,现阶段这款柔性爪夹的重复定位精度在 0.1mm,其最高抓取速度可以达 150 次/分钟,使用寿命可达 300 万~600 万次,较传统设备提高了 6~30 倍。

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对电商来说,「区分并决定如何移动物品仍然是瓶颈。」欧姆龙的工厂机器人传感和控制专家 Masaru Takeuchi 说。前电商时代,商家仅需成箱将货物运到零售店即可,但电商时代,需要为每一笔订单取货并打包,一支笔、一袋洗衣服、一盒蛋糕甚至一块橡皮或唱片。目前,在大多数电商配送中心,拣货是劳动力成本最高的环节,也是自动化程度最低的环节之一。

Soft Robotics 的灵活爪夹可以实现从盒子里随机抓取物体。SRT 创始人、CEO 高少龙在接受媒体采访时表示,他们已经针对烘焙产品、高品质注塑品、生鲜果品、生鲜肉、3C 装配、日化品等 7、8 个品类进行了产品设计和加工制造。目前,公司已与工业机器人、真空产品企业以及电商等建立了合作关系。

软体机器人的优势很明显:为其建立计算机视觉和导航系统时,不需要和硬机器人一样的精确性。这也可以暂时弥补深度学习尚未解决这一问题的不足。

据悉,iRobot 也有软体机器人项目。「 胳膊与手会是第一个(研发)领域」,公司的战略技术研发负责人Chris Jones 说,「可充气结构既可以非常结实,降低压力后,也会变得非常柔软。降低了你所需要的精准度。」

对包装公司来说,模块化 Flexi-Grip 机器人也有吸引力。「 因为它们可以可靠的处理各种物品,就像人的手指一样。带有剪刀手的硬机器人不能真正做到这一点。」Pneubotics 公司 CEO Carl Vause 说,它已经与几个客户签了合同。

ABI Research 的一项新研究指出,从 2015 年到 2020 年,协作机器人市场规模有望翻十番,达 400 亿美元。「传统机器人的一大问题就是安全性。」CMU 软体机器人和仿生实验室的 Christopher Atkeson 说。

现在的电机机器人手臂依赖齿轮减速,越能负重的手臂会因齿轮组量而越笨重。他们的动作看起来轻盈,但是,硬件系统的组成特点让他们始终存在安全隐患。单在美国,每年工人工伤索赔的金额达 130 亿美元,生产上相关的损失和未报告的索赔将高达 500 亿美元。

一些研究人员研发出人造皮肤给硬机器手臂穿上,当人类出现在设定距离范围内时,机器会自动停止工作。离开后,机器又会自动工作。

极客初创公司 Pneubotics 的办法是气动工业手臂。最昂贵的部件是传感器而不是电机,主体由布质材料缝制而成的,气体从气动阀门出发向不同形状的空腔压缩空气,气动机器人利用气动肌肉或者气动原理驱动,在同等负重的条件下,气动机器人手臂重量可以比传统机器人手臂小几十倍,在失控情况下也不会对人造成伤害,可以实现和人长期的近距离接触。

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「现在服务机器人的手臂非常贵,软体机器人却可以让它的手臂更轻薄,成本也更加低廉。而且软体机器人采用的是新型柔软材料,在与人互动过程中的安全性更高。」中联重科的软体机器人专家陈刚接受媒体采访时表示。

更加聪明、安全的医疗设备

「在其他行业,软机器人技术将有很大的影响,将会用于医疗保健和康复,以及老年及幼儿设施。」哈佛大学的 George Whitesides 说。

不久前,科罗拉多大学波尔得分校实验室的工程师 Franck Vernerey 研制出了一种专门用于药物治疗的蛆型软体机器人,这种机器人可以通过温度指引在人体内爬行,为特定部位运输药物。

药物治疗是一种很古老的治疗疾病方式,但并非最佳方式,针对性不强,对身体的其他部位也有副作用。研究人员希望将药物直接送至伤口或病源处,但人体的结构并非像路面一样平坦,不仅曲折而且脆弱,肿瘤形状本身也很不规则。

由于身体容易弯曲,软体机器人可以进入人体行动。从理论上讲,小型可移动机器人是一种更有针对性的治疗方法,能够把药物送到指定部位或撕裂肿瘤,Vernerey 说。

Vernerey 利用水凝胶再现蛆的蠕动过程,为了满足机器人在体内的爬行需求,他准备将磁性纳米材料嵌入水凝胶中。

哥伦比亚大学生物医学工程教授 Samuel Sia 很看好通用小型软体机器人的医学潜力。柔软的、移动型小机器人某天可成为身体内部的修复团队,从身体里面完成医生的工作,Sia 说。

Sia 的实验室研发了一种 3D 打印的软体机器人——可植入体内,定点释放药物。成果发表在 Science Robotics。研究的灵感来自瑞士钟表匠发明的 Geneva drive,一种两个齿轮构成的能够产生精准走时的机制。

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打印材料是水凝胶,身体没有电池,也不适用电线。将它植入到肿瘤区域附近的皮肤表层下之后,医生只需在外部用一块磁铁朝肿瘤方向移动,皮肤下的机器人就会跟随磁铁将所携带的药物运送到指定位置。这款机器人只有 6 英寸长,只需 30 分钟便可用 3D 打印制成。

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这种设备非常适合这个个性化医疗的新时代。「医生希望了解病人的进展状况然后据此修改治疗方案。」Sia 说。他已经在患有骨癌(bone cancer)的小鼠身上对这种装置进行了测试,结果很激动人心。

可折叠机器人为我们提供了另一种思路。「对于应用在人体内的机器人,我们必须让它尽量精巧,可控,这就必须有传统机器人以外的创意。如果让机器人由一条绳子控制,让它准确地在人体内行动是非常困难的」。Rus 说。

去年,MIT、谢菲尔德大学及东京工业大学共同研发出一种可折叠机器人。它能遇热自动伸展,可以作为医用胶囊,通过外部的磁铁控制其行动方向,它可以爬进胃里,将用户误吞食的电池取出,甚至修补人体内的破洞。

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不过,在哈佛大学研究人员看来,这款可折叠机器人虽然解决了电池或电线的问题,但设计过于简单。前不久,哈佛大学威斯生物工程研究所于约翰·A·保尔森工程与应用科学学院的科学家们研发出一款外部供电的无线可折叠机器人,形态和功能更加复杂。

该系统只需要在机器人身上安装基本被动电子元件,用来产生电流。改变磁场频率,即可引导关节折叠运动。这款折叠机器人可以实现多种自由度(厘米级和毫米级)。

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「微型化的研究还可以继续深入,」机器人学家 Mustafa Boyvat 说,「我认为我们尚未达到机器人体积的下限。」「这种可折叠式机器人令我们非常兴奋,我们相信它在健康医疗领域将发挥重要作用」,Rus 说。

「软体机器人是手术的终极目标。」从事手术机器人研究的香港中文大学教授 Samuel Au 在接受国内科技媒体采访时曾说,甚至会转变医疗机器人的范式。

近几年,如何利用软体机器人系统进行微创手术备受国内外专家学者关注。主流的机器人都是模仿人类肢体结构。虽然动作精确度高,但是柔软性和适应环境的能力不高。像人体内部这样不规则的空间,传统机器人很难自如行动。传统金属机器人通过比较复杂的反馈的机制来完成手术操作,这有可能破坏人体的组织,比如肠道损失。

软体机器人灵巧的结构使它们能够更容易改变方向或挤进狭窄的空间。即使它们击中了某个东西也不太可能将其打破,而它们的内部程序甚至会利用这些碰撞来获得周围环境的信息。

目前,Soft Robotics 正在商业化哈佛大学 2011 年研发的一款四条腿的小型橡皮机器人,在手术等生化领域推广橡胶机器人。这款机器人灵感源自鱿鱼,海星和其它没有坚硬骨骼的动物。体内内部被注入压缩空气,机器人因此可以自由活动和爬行。

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「软体机器人可以利用橡胶部位减少手术创伤的可能性。另外,借助一些医疗设备,它可以进入很小的空间,改变自己的体形,适应人体器官的构造,这就是所谓的组织兼容性。」Soft Robotics CEO 说。

早在两年前,英国伦敦大学国王学院就曾宣布与邓迪大学合作研发出一款可协助医生进行微创手术的软体机器人。这款机器人形如章鱼触须,部件由硅氧树脂材料制作,并配备了相关驱动装置。软体机器人具有很高的柔韧性,能轻松地从小创口进入人体,并绕过人体内脆弱的器官抵达患处。

据报道,这款机器人配备了摄像头,能为医生提供人体内清晰的画面,帮助医生更精确、高效地完成外科手术。机器人还能配备夹子、手术刀等外科手术工具,从而可直接为病人实施手术。

在今年的机器人顶会 ICRA 2017 上,来自 CMU 的研究论文介绍了一种用于上消化道的细针抽吸活检的磁力驱动软胶囊内窥镜。

目前,开发软体机器人的公司不多,且都处于研究阶段。Samuel Au 说。主要挑战在于既要将机器做到足够小及足够的柔韧。Rus 也认为,在拥有出色适应能力的另一面,软体机器人存在着建模和控制的难题。

比如,从鼻孔进入人体,机器人直径需要不到 10 毫米;但也要有足够的弹性,保持其坚硬度,以进行有适当力度进行手术。「特别是在没有任何外部支持却需要保持某个身体形态时。使用骨骼加强软件机器,就像脊椎动物,可以简化这些难题。未来需要探索的是,如何以充分利用身体的方式,将身体柔软性与对机器功能的不同期待匹配起来。还需要进一步提升计算和系统控制。」Rus 写道。

据媒体 8 月 10 消息,开发软体机器人用于治疗喉咙、肺部和肠胃疾病的 Auris Surgical Robotics(奥瑞斯外科机器人)D 轮融资 2.8 亿美金。在此之前,为了进军软体机器人市场,该公司曾以 8000 万美元收购了另一家拥有大量相关专利的外科手术机器人研发公司汉森医疗( Hansen Medical )。

软体机器人技术的出现,也为临床应用带来新的可能。

心力衰竭是一种很常见的心脏疾病,全世界有 4100 万人受心衰影响,他们或需要进行心脏移植,或需要用心室辅助装置( VADs )将血液从心室泵送到主动脉。但到目前为止,使用 VADs 病人发生血栓和中风的风险仍然较高。

Conor J. Walsh 副教授研究团队与波士顿儿童医院心外科医生 Frank A. Pigula 团队,首次将软体机器人技术用到了可植入医疗设备中。他们给心脏发明了一个「围脖」,这个「围脖」可以让弱不禁风的心脏恢复正常的工作能力。

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这款软体机械装置,可在不与血液接触的情况下帮助心脏跳动泵血。由于新装置并不会直接接触到血液,进而降低了血管阻塞的风险,未来使用该装置的病人不必再服用具有潜在危害的血液稀释类药物。

「 该研究很好地证明了软体机器人可以安全地与软组织相互作用,有助于改善心脏功能。我们设想了很多未来的应用,比如这种设备可以在人体内外实现机械治疗。」论文的资深作者、SEAS 的工程与应用科学 John L.Loeb 副教授、Wyss 研究所核心教员 Conor Walsh 说。

这是一条长仅 1.6 厘米(比 1 角硬币还小),重约 10 克,几乎完全透明的鱼。鱼的骨架是黄金,身体是硅胶打印的。2 天大的大鼠胚胎的心脏肌肉细胞经过光敏处理后,能对蓝光做出反应,自行收缩,是鱼的人造肌肉。当肌肉伸缩时,整个胸鳍就会如同真的鳐鱼一般进行这种波浪般的运动。

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研究人员也开始研究直接融入生物材料的机器人系统(软体赛博格,Cyborg ),借此进一步研究心脏细胞,为将来的全生物人造心脏做准备。

哈佛大学的 Wyss 仿生工程研究所项目的负责人 Sung-Jin Park 和 Kevin Kit Parker 教授的这篇成果发表在了《科学》上,曾引起轰动。

体外骨骼(可穿戴机器人)

我国有 600 万多名脑血管病(中风)患者。在英国,每年都有约 11 万人遭受中风。近期《柳叶刀》(lancet) 发表的一篇报告称,在 20 至 64 岁的人群中,中风发病率增加了 25%。中国是全球中风风险因素占比最高的国家之一。

典型的中风症状包括足下垂和软弱无力没精神。病人感到疲劳,动作笨拙,这让他们更难以控制肢体动作。早在 2014 年,将软体机器人和康复辅助具联系起来的先驱、哈佛大学 Wyss 实验室的 Connor Walsh 教授就研发出柔性外骨骼 Soft Exosuit,可以有效改善足下垂。

与传统金属风格的外骨骼不同,Soft Exosuit 由编织成带状的纺织物组成,可以包裹佩戴者者的腰部和腿部,非常柔软也具有韧性。机器内置微处理器、传感器和能源,腰部会置入马达,提供力量和机动性。目前处在测试阶段。

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同一年,专门研发可穿戴传感器的 BioSensics 公司也与哈佛大学、MIT 等大学合作,共同开发出一套柔性外骨骼肌肉系统,主要作用于小腿肌肉的健康恢复训练。

这种外骨骼肌肉可以很好的模拟人类的肌肉运动,从而帮助肌肉受损者进行记忆性的康复训练。如果将这种外骨骼肌肉固定在人身上,甚至可以帮助瘫痪人士甚至截肢患者进行正常的走路、拿东西等。

最近两年,柔性外骨骼得到了很大的发展。「我们更希望得到更多贴心的人机交互机器人,能够佩戴机器人或者机械手是你的一部分」。机器人专家 Roy Kornbluh 说。

Roy 所在的 SRI Intenational 分拆出来的软机器人创业公司 Superflex 推出了一款重量仅为 1.8 千克的柔软外骨骼,可为普通人的日常运动提供力量。

SuperFlex 通过运动传感器、加速传感器和陀螺仪,探测穿着者四肢和身体的速度和角度,计算肌肉发力的方向,并补充力量。如果穿着者在搬运重物等的时候觉得力量不够,也可以选择自行开启力量增强功能,让机器服装帮你分担力量。这款柔软外骨骼可以和大多数人的体型相适应,任何人都可以轻松穿着。

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「我们想要把自己定位为服饰创新公司,而非机器人创新公司。」公司 CEO Mahoney 说。据媒体报道,SuperFlex 开始计划产业化。目前,正在与一些诊所合作,主要用于那些患肌肉弱化疾病的病人。接下来,他们希望将产品适用于老年用户和物理治疗的个人。价格 7000 仅美元。

「我们想要研发可以帮助老年人更长寿的技术。」CMU 的 Christopher G. Atkeson 教授说。「希望帮助他们降低生产风险,并联合优秀的伙伴一起将这一产品引进中国。」投资 SuperFlex 的创新工场表示。

我国康复机器人市场规模和成长空间巨大。到 2030 年,中国 65 岁以上的人口的全国总人口比重将提高到 18.2%。广发证券在其此前发布的研报中认为,人口老龄化将推动医疗及护理机器人快速产业化。预计国内未来 3-5 年内会出现成规模的医疗或护理机器人企业。去年 3 月,国家卫计委联合 5 部门印发《关于新增部分医疗康复项目纳入基本医疗保障支付范围的通知》,在原已纳入支付范围的 9 项医疗康复项目基础上,将「康复综合评定」等 20 项新增康复项目纳入医保支付范围。

由于产品的钢架结构会限制患者腿部活动,造成不适,作为体外骨骼领域的开拓者,Ekso Bionics 也开始将目光转向软部件,希望采用仿生软部件后大幅改善产品舒适度,降低高昂制造成本。

在欧盟 Horizon 2020 Research and Innovation Programme 的大框架指导下,一个跨领域国际研究团队开始研发一款像裤子一样可以穿的软体仿生外骨骼 XoSoft。他们想要在 2019 年之前研发出功能完善的产品原型。穿上这个像牛仔裤一样的下肢外骨骼,老年人和残疾人们的自主活动能力能得到极大提高,健康状况和生活质量也将得到一定程度的改善。

第三方咨询机构 GrandViewResearch 预测显示,未来 5 年广义康复机器人的年复合增长率约为 37%,其中康复机器人年复合增长率为 21%,外骨骼机器人年复合增长率为 47%,远高于其他类别的医疗机器人的平均增速。

其他应用领域

除了在食品、物流、医疗领域具备独特优势之外,在其他复杂空间,软体机器人也可以大展拳脚。比如,地震、矿难等灾害需要深入废墟寻找和帮助受害人,核反应堆和宇宙空间站的检修作业。

2016 年,哈佛大学工程与应用科学学院的两位顶级学者 Robert J. Wood 和 Jennifer A. Lewis 研发出全世界第一个全软体机器人:一只体长只有几十毫米的 Octobot。这款利用 3D 打印技术出来的外形酷似章鱼的机器人,各个构件都没有使用硬性材料,其材料成本不到 3 美元。通过化学反应产生的大量气体聚集压缩,借助压强变化,实现机械臂的运动。Octobot 可成为理想的救援机器人。

「以柔克刚」,软体机器人的崛起

伦敦大学国王学院的研究人员认为,可将用于医疗的软体机器人应用到更多领域,比如水下管道检修和救援。研究人员研发出一种软体蛇形机器人,主要由硅胶管制成。据悉,这款机器人可被放进飞机发动机进行「体检」和故障排查,为机场节省了拆装发动机所需的时间,降低了人力成本。

「以柔克刚」,软体机器人的崛起

早在 2012 年,美国麻省理工学院、哈佛大学和韩国首尔国立大学的研究人员就联合开发了一种类似自然界蠕虫的软体机器人。这种软体机器人有多种用途,例如通过崎岖地形或钻进稠密空间等。由于它在于行动时悄无声息,基本不发出噪音,因此可用于侦测敌情。

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这些新材料的出现,为软体机器人的应用提供了更多可能。

目前,一些研发部门正在试验电活性聚合物 (electro-active polymers),比如介电弹性体 (dielectric elastomer),它会在电流通过时改变形状。今年年初,MIT 等研究机构设计并合成出一种仿生蛋白凝胶。不同的环境 pH 值和离子浓度水平下,这种蛋白材料会伸展或收缩成不同的几何形状。而且这种变化是可逆的。研究人员表示,机器人可以用上能根据 pH 值和离子浓度自我改变硬度或产生功能性变形的新材料。

Rolf Pfeifer 和 Josh Bongard 在他们合著的 How the Body Shapes the Way We Think 中写道:

「 从具身人工智能观来看,应该一并思考和发展机器人及其大脑,就像生物对象的身体和大脑一同演变一样。软机器人系统有可能利用形态学计算来适应世界,并与之相互作用,而这种方式在刚性系统中,很难实现,甚至是不可能的。遵循具身人工智能的原则,软机器人或许能让我们以不可能的方式开发生物学启发下的人工智能。」

「(软体机器人)不是传统机器人技术的一部分,」瑞士苏黎世联邦技术学院仿生机器人学教授福米亚·利达说。「它们必须要以完全不同的思维来对待,用不同的材料制造,用不同的能源驱动。这是我们未来的必然之路。」

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