機(jī)器人和蜂窩通信兩個(gè)看似無關(guān)的技術(shù)，在第五代無線技術(shù)（5G）出現(xiàn)后有了關(guān)聯(lián)，因?yàn)榕c前幾代不同，5G不只是提高數(shù)據(jù)速率和擴(kuò)大覆蓋范圍。為此，國際電信聯(lián)盟（ITU）制定了一個(gè)稱為IMT-2020的全球規(guī)范，它將徹底改變蜂窩網(wǎng)絡(luò)的搭建方式、連接設(shè)備、運(yùn)行頻率，以及應(yīng)用范圍。

第五代無線技術(shù)將為新一代機(jī)器人的發(fā)展鋪平道路，讓未來機(jī)器人可以通過無線而非有線通信鏈路自由漫游，并利用云計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲的海量資源。借助于這些功能，幾乎可以實(shí)時(shí)地對機(jī)器人進(jìn)行精確的動(dòng)態(tài)控制，在本地和全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。簡而言之，5G將能夠支持“未來工廠”，以及以前通過蜂窩通信和機(jī)器人無法實(shí)現(xiàn)的許多應(yīng)用。

人為干預(yù)的必要性

近期就機(jī)器人技術(shù)及其如何與人工智能（AI）一起統(tǒng)治世界的問題存在很多爭議，同時(shí)還引發(fā)了對人類命運(yùn)的擔(dān)憂。擁護(hù)者們認(rèn)為機(jī)器人只是起到輔助作用，執(zhí)行一些人類不太擅長的任務(wù)，而不會(huì)取代人類。另一方面，有些人認(rèn)為將來制造業(yè)的工作可能會(huì)被機(jī)器人取代，數(shù)百萬人將面臨失業(yè)威脅。機(jī)器人最終是否會(huì)取代人類還有待考察，但幾乎可以肯定的是5G會(huì)讓機(jī)器人工作效率比以往任何時(shí)候都高，應(yīng)用更廣。

機(jī)器人在制造業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，尤其是汽車、工業(yè)和醫(yī)療行業(yè)。5G技術(shù)創(chuàng)新將進(jìn)一步拓展機(jī)器人應(yīng)用范圍，因此也需要相應(yīng)地重新定義機(jī)器人的概念。比如，自動(dòng)駕駛汽車就是一種新型機(jī)器人，它需要根據(jù)大量傳感器指令做出決策并執(zhí)行相應(yīng)操作，而且有可能比人類更精確、更可靠、更快速。此外，旋翼機(jī)和其他無人駕駛飛行器也是一種新型機(jī)器人。

機(jī)器人在醫(yī)療保健行業(yè)的巨大潛力，使之成為了解5G與機(jī)器人技術(shù)之間協(xié)同關(guān)系的最佳途徑。機(jī)器人在5G通信和云技術(shù)的幫助下，不僅能執(zhí)行常規(guī)操作（比如在醫(yī)院內(nèi)將物品從一個(gè)地方轉(zhuǎn)移到另一個(gè)地方），而且還可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手術(shù)，即醫(yī)生在遠(yuǎn)程操控，而由機(jī)器人在本地執(zhí)行手術(shù)。2001年內(nèi)分泌外科醫(yī)生雅克·馬雷斯科在與患者相距約6,200公里的紐約市，對法國斯特拉斯堡醫(yī)院的一名患者進(jìn)行了膽囊切除手術(shù)，這個(gè)被命名為“林德伯格手術(shù)”的就是世界上首個(gè)成功案例。

想象一下到2025年時(shí)，醫(yī)院手術(shù)室內(nèi)只有機(jī)器人和患者，而外科醫(yī)生可以在地球上的任何位置，通過5G技術(shù)連接云端實(shí)施遠(yuǎn)程手術(shù)，而且還可以尋求異地專家協(xié)助，實(shí)時(shí)提供專業(yè)知識。這雖然看起來很神奇，但仍只是一個(gè)開始，將來還可借助于虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和云端技術(shù)，將影像掃描結(jié)果顯示為三維（3D）虛擬模型。

利用“數(shù)字克隆”技術(shù)，外科醫(yī)生將可以在一個(gè)或多個(gè)機(jī)器人執(zhí)行實(shí)際手術(shù)的同時(shí)，在病人的虛擬模型上遠(yuǎn)程操控手術(shù)。醫(yī)生將獲得虛擬的觸覺“反饋”，因?yàn)楣趋馈⒔M織和器官都會(huì)有不同的“觸感”。雖然無法在十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)全方位的遠(yuǎn)程手術(shù)，但隨著5G和機(jī)器人技術(shù)的日趨發(fā)展，將會(huì)分階段推行。

現(xiàn)在的制約因素

除了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手術(shù)和其他應(yīng)用所需的機(jī)器人和整個(gè)“生態(tài)系統(tǒng)”仍處于初級階段之外，目前的4G網(wǎng)絡(luò)也根本不具備實(shí)現(xiàn)這些操作的能力。也就是說，由于這些應(yīng)用需要即時(shí)響應(yīng)，因此對延遲的要求也非常高。延遲是指從通信鏈路中的某一點(diǎn)輸入到從另一點(diǎn)返回?zé)o誤輸入之間的時(shí)間跨度。低延遲對于以機(jī)器為中心進(jìn)行高可靠通信的未來機(jī)器人而言非常重要。

目前的4G長期演進(jìn)（LTE）蜂窩網(wǎng)絡(luò)的往返延遲約為50ms，但為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人等應(yīng)用，要求5G技術(shù)能將延遲縮短到1ms以內(nèi)，這是一個(gè)巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。云計(jì)算和提高數(shù)據(jù)速率這些特性很容易實(shí)現(xiàn)，但要解決延遲問題，則需要挑戰(zhàn)物理定律。

要理解這一點(diǎn)，首先需要知道電磁輻射在真空中的傳播速度是3x108m/s，在空中傳播時(shí)，由于受到大氣層的影響，這個(gè)速度會(huì)有所下降。此外，信號傳輸時(shí)還會(huì)經(jīng)過光纖、地面和衛(wèi)星通信鏈路以及電子和連接設(shè)備，傳播速度將會(huì)大大降低。因此要想減少延遲，就必須縮短A B兩點(diǎn)之間的物理距離，這就是5G能將延遲縮短到1ms以內(nèi)的奧秘。

5G將要求以比較集中的方式形成云的數(shù)據(jù)中心數(shù)量大幅擴(kuò)張，并分布在一定的地理范圍內(nèi)，因?yàn)槟骋晃恢玫臄?shù)據(jù)中心可能離大多數(shù)其他位置很遠(yuǎn)，無法將延遲降低到可接受范圍內(nèi)。這種擴(kuò)張，再加上大于1Gb/s的數(shù)據(jù)速率和新的蜂窩頻率（比目前使用的頻率高一個(gè)數(shù)量級），將能夠在1至100公里的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)小于1ms的延遲。

顛覆想象的未來工廠

5G將在打造未來工廠方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，這是需要小于1ms延遲的另一個(gè)應(yīng)用案例。結(jié)合云計(jì)算幾乎無限的處理和數(shù)據(jù)存儲能力，5G通信將讓機(jī)器人能在下一代制造環(huán)境中執(zhí)行更多的操作，比如機(jī)器人將能夠與員工交換大量信息，與其他5G設(shè)備（如可穿戴設(shè)備和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等技術(shù)）結(jié)合顛覆你對常規(guī)“車間”的認(rèn)知。

隨著能夠與人互動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人的出現(xiàn)，在提高產(chǎn)品質(zhì)量和操作人員安全的同時(shí)，應(yīng)能顯著提高生產(chǎn)能力。顛覆想象的未來工廠中保持非常低的延遲，必須高度依賴網(wǎng)絡(luò)中的邊緣計(jì)算。邊緣計(jì)算在實(shí)際應(yīng)用所處網(wǎng)絡(luò)的“邊緣”提供智能服務(wù)以及其他功能，類似于幾十年前的分布式計(jì)算。

農(nóng)場機(jī)器人

借助于5G技術(shù)和GPS定位系統(tǒng)，“無束縛”機(jī)器人將可執(zhí)行今天不可能完成的任務(wù)。例如，農(nóng)業(yè)機(jī)器人可以在田間行走，監(jiān)測農(nóng)作物生長狀況，將視頻和其他傳感器信息發(fā)送回位于任何地方的計(jì)算機(jī)，甚至還能執(zhí)行噴灑、修剪和收割等工作。一家名為FFRobotics的公司開發(fā)了一種新鮮水果收割機(jī)器人，它將機(jī)器人控制與圖像處理軟件算法相結(jié)合，能夠發(fā)現(xiàn)并區(qū)分可銷售和損壞的農(nóng)產(chǎn)品以及尚未成熟或腐爛的水果。

一種稱為高通量植物表型（HTPP）的技術(shù)結(jié)合了遺傳學(xué)、傳感器和機(jī)器人技術(shù)，可用于開發(fā)新的作物品種，以及改善營養(yǎng)成分和環(huán)境條件耐受性。這需要通過機(jī)器人身上安裝的傳感器來測量各種特性，并將結(jié)果反饋給任何地方的科學(xué)家們進(jìn)行分析。目前還在開發(fā)種植和跟蹤種子的機(jī)器人，以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和人們現(xiàn)在所從事的其他工作的效率。在未來，還有很多工作都能通過遙控機(jī)器來完成。

Qorvo：布局5G基礎(chǔ)設(shè)施

Qorvo是全球知名的射頻解決方案供應(yīng)商，擁有多種為通信應(yīng)用提供“連接和保護(hù)”的解決方案，如雷達(dá)、家庭和辦公室用Wi-Fi客戶終端設(shè)備、LTE和5G基站的高速連接、通過數(shù)據(jù)中心通信和電信傳輸?shù)脑贫诉B接、汽車連接，以及其他包括智能家居在內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。Qorvo的主要產(chǎn)品包括砷化鎵（GaAs）和氮化鎵（GaN）功率放大器（PAS）、低噪聲放大器（LNA）、開關(guān)、互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）片上系統(tǒng)解決方案、優(yōu)質(zhì)體聲波（BAW）和表面聲波（SAW）濾波器解決方案以及各種多芯片和混合組件。

Qorvo的產(chǎn)品能夠支持低頻乃至毫米波頻段，可滿足下一代5G網(wǎng)絡(luò)對sub-6GHz和毫米波解決方案的產(chǎn)品需求。Qorvo在目前正在進(jìn)行的5G現(xiàn)場試驗(yàn)中嵌入了各種產(chǎn)品，并與知名原始設(shè)備制造商開展了多項(xiàng)產(chǎn)品開發(fā)活動(dòng)，與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商部署5G網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間表相重疊。下面讓我們來看看將5G和未來機(jī)器人技術(shù)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的一些具體技術(shù)和產(chǎn)品。

集成讓一切變簡單：QPF前端模塊

Qorvo擁有出色的5G基礎(chǔ)設(shè)施前端模塊（FEM）。FEM是集成射頻（RF）模塊，包含放大器、濾波器、開關(guān)和其他組件。QorvoQPF4001 GaN單片微波集成電路（MMIC）FEM是一種面向28GHz（26–30GHz）相控陣5G基站和終端的多功能器件模塊。它結(jié)合了低噪聲高線性LNA、低插入損耗高隔離度發(fā)射/接收（TR）開關(guān)和高增益高效率多級PA。Qorvo QPF4005雙通道FEM是面向39GHz（37–40.5GHz）相控陣5G基站和終端的多功能GaN MMIC模塊，可在高頻下運(yùn)行。它還結(jié)合了LNA、低插入損耗高隔離度TR開關(guān)和高增益高效率多級PA。此外，Qorvo QPF4006 39GHz（37–40.5GHz）GaN發(fā)送/接收模塊適用于39GHz相控陣5G基站和終端。與其他器件一樣，它結(jié)合了低噪聲高線性LNA、低插入損耗高隔離度TR開關(guān)和高增益高效率多級PA。

信號升壓：QPL平坦增益放大器

Qorvo QPL9057平坦增益放大器設(shè)計(jì)用于在1.5–3.8GHz的寬帶內(nèi)提供2.4dB的平坦增益。這些增益放大器可提供22.8dB增益、+32dBm OIP3（50mA偏置設(shè)置時(shí)）以及0.54dB噪聲系數(shù)。QPL9057增益放大器采用高性能E-pHEMT工藝進(jìn)行內(nèi)部匹配，因此需要五個(gè)外部元件才能在單個(gè)正電源下工作。典型應(yīng)用包括移動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施、中繼器、時(shí)分雙工（TDD）或頻分雙工（FDD）系統(tǒng)、LTE/WCDMA/CDMA/GSM和通用無線。

雙通道多頻率：QPB開關(guān)低噪聲放大器

Qorvo的QPB9329 4.4–5.0GHz雙通道開關(guān)LNA模塊是高度集成的FEM，可用于時(shí)分雙工（TDD）基站。這些開關(guān)模塊在雙通道配置中集成了兩級LNA和高功率開關(guān)。同樣，Qorvo的QPB9337 2.3–3.8GHz雙通道開關(guān)LNA模塊是用于TDD基站的高度集成前端模塊。與QPB9329一樣，此系列LNA模塊也在雙通道配置中集成了兩級LNA和高功率開關(guān)。QPB9337 LNA模塊可以通過控制引腳控制掉電和旁路功能，可用于采用TDD多輸入多輸出（MIMO）架構(gòu)的無線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用。

扳動(dòng)開關(guān)：QPC吸收式高隔離度SOI開關(guān)

QPC6054等Qorvo QPC絕緣體上硅（SOI）射頻開關(guān)是專門為蜂窩、3G、LTE和其他高性能通信設(shè)計(jì)的。這些設(shè)備采用表面貼裝設(shè)計(jì)，易于組裝，可在5MHz–6GHz范圍內(nèi)運(yùn)行。QPC SOI射頻開關(guān)采用高隔離度對稱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有良好的線性度和功率處理能力。QPC6054是一個(gè)單刀單擲開關(guān)。QORVO QPC6324吸收式高隔離度單刀雙擲（SPDT）開關(guān)具有高隔離度、良好的線性度和功率處理能力。QPC6324開關(guān)適用于多種4G/5G無線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用。

結(jié)論

5G不會(huì)在一夜之間讓機(jī)器人發(fā)生翻天覆地的變化，因?yàn)楹芏?G應(yīng)用和技術(shù)尚處于萌芽、制圖或開發(fā)階段。5G能夠完全支持機(jī)器人等應(yīng)用，被視為開啟電信新紀(jì)元的關(guān)鍵。此外，移動(dòng)機(jī)器人離成為一項(xiàng)成熟的技術(shù)還有很長的路要走，而且很可能需要數(shù)年時(shí)間才能廣泛部署到生產(chǎn)制造、農(nóng)業(yè)、常規(guī)與大規(guī)模搜救行動(dòng)等應(yīng)用中。

5G的應(yīng)用離不開網(wǎng)絡(luò)各個(gè)方面的創(chuàng)新，從毫米波通信系統(tǒng)、軟件定義以及虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，到新的無線接入方法，讓機(jī)器人能夠在互不干擾的情況下在小范圍內(nèi)操作。延遲是現(xiàn)階段亟需攻克的難題，研究人員必須找到一種方法將其降到極低的范圍內(nèi)。

審核編輯：郭婷