浙江大学学报(工学版), 2021, 55(2): 251-258 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2021.02.005

机械工程

外肢体机器人研究综述

刘德斌,, 王旦,, 陈柏, 王尧尧, 宋立瑶

1. 南京航空航天大学 直升机传动技术国防科技重点实验室,江苏 南京 210016

2. 浙江大学 流体动力与机电系统国家重点实验室,浙江 杭州 310027

A survey of supernumerary robotic limbs

LIU De-bin,, WANG Dan,, CHEN Bai, WANG Yao-yao, SONG Li-yao

1. National Key Laboratory of Science and Technology on Helicopter Transmission, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China

2. State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China

通讯作者: 王旦,男,讲师,博士. orcid.org/0000-0003-4689-660X. E-mail: wangdan_053@nuaa.edu.cn

收稿日期: 2020-05-11  

基金资助: 国家自然科学基金资助项目(51705243);流体动力与机电系统国家重点实验室开放基金资助项目(GZKF-201917);江苏省自然科学基金资助项目(BK20170789);南京航空航天大学基本科研业务费-青年科技创新基金资助项目(NT2020010)

Received: 2020-05-11  

Fund supported: 国家自然科学基金资助项目(51705243);流体动力与机电系统国家重点实验室开放基金资助项目(GZKF-201917);江苏省自然科学基金资助项目(BK20170789);南京航空航天大学基本科研业务费-青年科技创新基金资助项目(NT2020010)

作者简介 About authors

刘德斌(1994—),男,硕士生,从事智能机器人研究.orcid.org/0000-0001-9411-4081.E-mail:nuaaldb@nuaa.edu.cn , E-mail:nuaaldb@nuaa.edu.cn

摘要

阐述外肢体机器人(SRLs)的研究背景和研究意义. 介绍外肢体机器人的概念,将外肢体机器人按照功能分为辅助操作外肢体与辅助支撑外肢体. 针对不同结构类型与结构柔性的2类外肢体机器人总结研究现状. 就外肢体机器人人机一体化特性带来的结构轻量化、安全性、人机协作、抗干扰能力四方面对外肢体机器人的研究要点进行分析. 对外肢体机器人未来的发展趋势进行总结与展望.

关键词: 外肢体机器人 ; 人机协作 ; 辅助操作 ; 辅助支撑

Abstract

Firstly, the research background and the significance of supernumerary robotic limbs (SRLs) were introduced. Secondly, the concept of SRLs was provided, and SRLs were divided into two parts, i.e., auxiliary operation SRLs and auxiliary support SRLs, according to their functions. Thirdly, the current research status and progress for different structure types and structural flexibility SRLs were outlined. Besides, the main research points about man-machine integration for the SRLs were analyzed in terms of lightweight design and security, robotic-human-environment interaction and cooperation and anti-interference capability. Finally, the prospect of the SRLs was summarized.

Keywords: supernumerary robotic limbs ; robotic-human-environment interaction and cooperation ; auxiliary operation ; auxiliary support

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本文引用格式

刘德斌, 王旦, 陈柏, 王尧尧, 宋立瑶. 外肢体机器人研究综述. 浙江大学学报(工学版)[J], 2021, 55(2): 251-258 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2021.02.005

LIU De-bin, WANG Dan, CHEN Bai, WANG Yao-yao, SONG Li-yao. A survey of supernumerary robotic limbs. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2021, 55(2): 251-258 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2021.02.005

随着人口老龄化情况的加剧以及人们工作观念的转变,劳动力短缺问题逐渐凸显. 《2018年农民工监测调查报告》显示,全国50岁以上农民工占比已经超过20%,并且占比仍在逐年提高[1]. 建筑业、制造业这类劳动强度高、工作环境差的行业也越来越不被年轻人认可. 因此,解决劳动力短缺问题、改善工作条件成为目前中国乃至全世界发展须解决的难题. 随着机器人技术的发展与逐渐成熟,大规模应用机器人成为破解劳动力短缺难题的重要手段.

汽车、手机、芯片等产品生产批量大、制造工艺成熟,可以采用高度自动化的生产线对其进行加工,但在飞机制造、建筑装修行业,由于空间、规模、技术、成本等条件的限制,大规模、标准化的加工方式并不适用. 单纯依靠机器人与自动化设备的配合同样难以应用于类似场景. 例如,2013年,波音公司与库卡机器人合作,将完全自动化的机器人系统引入到777X型飞机的机身自主装配生产线中,但在经历长达6 a的制造混乱后,波音公司不得不在2019年彻底放弃该机器人系统[2]. 基于上述客观事实,寻求人机配合、尽可能减小工人劳动强度逐渐成为相关行业机器人发展的一个重要方向.

在人机合作方面,研究人员近年来已经做了较多探索,其中较为成熟的研究包括对协作机器人和外骨骼机器人的研究. 由于协作机器人的自主移动性较差、外骨骼机器人关节受限缺陷,研究人员也在探索新型机器人. 外肢体机器人(supernumerary robotic limbs/arms, SRLs/SRAs)在人体躯干或四肢固定机械臂或机械手,可以在极大程度上补充或扩展人的工作能力,在一定程度上实现了人们对于拥有三头六臂的想象. 对于第3只手的相关研究表明人体完全能够胜任对第3只手的控制[3-5],这为外肢体机器人的研究提供了前提. 同时,大量的针对脑机接口控制、肌电控制、肢体映射等控制方式的研究为外肢体机器人的研究奠定了基础[6-9]. 凭借其广阔的应用前景,外肢体机器人近年来逐渐成为机器人领域新的研究热点. 本研究总结近十年来国内外关于外肢体机器人的研究,并在此基础上对外肢体机器人的研究要点进行分析.

1. 外肢体机器人概念及分类

1.1. 外肢体机器人概念

外肢体机器人是指可以通过穿戴方式固定于人体并能协助人体完成一定任务的机器人. 国外研究机构对外肢体机器人的研究更为深入,外肢体机器人融合了可穿戴机器人与协作机器人的特点,与上述2种机器人既有相似性又有明显区别.

1)目前研究较为成熟的可穿戴机器人主要包括外骨骼机器人与义肢. 外骨骼机器人由于要与肢体保持运动的一致性,主要在增强力量方面起作用. 义肢可以补偿肢体缺失部分的运动机能,但义肢同样不能明显突破人体原有运动限制,且其高额的定制费用往往使患者望而却步[10]. 外肢体机器人则可以依靠独立于人体四肢的结构,突破人体原有的运动限制,大大扩展人体运动范围与能力,最终达到一人多用的效果.

2)协作机器人通常指和人在共同工作空间中有近距离互动的机器人[11]. 目前的协作机器人一般位置固定或被安装在无人引导小车上,机器人的移动空间大大受限,并且不适用于在狭小空间内协助工人作业. 外肢体机器人在保留协作功能的同时可以随人体灵活移动,突破原本固定的作业空间限制.

1.2. 外肢体机器人分类

对于外肢体机器人,根据不同分类标准有不同的分类方式,按照结构柔顺性可以分为刚性外肢体机器人与柔性外肢体机器人;按照功能的不同可以分为辅助操作外肢体机器人与辅助支撑外肢体机器人,示意图分别如图12所示.

图 1

图 1   辅助操作外肢体机器人示意图

Fig.1   Schematic diagram of supernumerary robotic limbs for auxiliary operation


图 2

图 2   辅助支撑外肢体机器人示意图

Fig.2   Schematic diagram of supernumerary robotic limbs for auxiliary support


辅助操作外肢体机器人面向的对象为非人物体. 机器人通过辅助工人对物体进行搬运、固定操作,在一定程度上可以解放工人双手,最终起到一人多用的效果. 辅助支撑外肢体机器人面向的对象为人体,该类外肢体机器人既可以在危险工况下对工人进行固定、支撑,又可以对处于易疲劳、易损伤工位的工人提供支撑,以减小体能消耗,减弱疲劳损伤. 本研究基于辅助操作与辅助支撑2种类型对外肢体机器人的研究情况进行介绍.

2. 研究现状

国内外关于外肢体机器人的研究最早可以追溯至2012年,美国麻省理工学院率先研制了第1款外肢体机器人原型样机[12-13],此后几年国外多家机构针对外肢体机器人进行了持续研究. 总体来看,针对外肢体机器人的研究还处于初始阶段,目前还没有一款成熟的外肢体机器人得到商业应用. 国内对于外肢体机器人的研究起步较晚,相关研究成果也较少,但近两年来,关于外肢体机器人的研究快速增多. 华南理工大学[14]、哈尔滨工业大学[15]、华中科技大学[16]、天津大学[17]、清华大学[18]、中国科学技术大学[19]等高校对外肢体机器人都展开了相关研究.

2.1. 国外研究现状

2.1.1. 辅助操作外肢体机器人研究现状

国外多家研究机构面向不同作业场景对辅助操作外肢体机器人进行了广泛的探索与研究. 辅助操作外肢体机器人经历了由刚性向柔性的转变过程. 本研究分刚性外肢体与柔性外肢体两部分对辅助操作外肢体机器人发展情况进行介绍.

1)辅助操作刚性外肢体机器人

美国麻省理工学院ASADA H教授团队最早针对外肢体机器人进行研究,并率先与波音公司合作研制多种面向不同作业任务的刚性外肢体机器人[12,13,20-22].

面向头顶空间作业任务,美国麻省理工学院的Llorens-Bonilla等[20]在2014年研制了固定于人体肩部的外肢体机器人,如图3所示. 该机器人主要包括2台呈左右对称配置的机械臂、背部穿戴结构以及控制模块等其他配套模块. 其中,每台机械臂包含5个自由度,各关节由伺服电机驱动,末端位点可以灵活到达限度内任一点. 该型机器人主要面向人体头顶空间开展人机协同作业,但由于控制方式的限制,仅适用于任务流程确定的简单作业任务.

图 3

图 3   面向头顶空间作业的外肢体机器人

Fig.3   Supernumerary robotic limbs for overhead space operation


面向舱内钻孔作业,麻省理工学院的 Parietti等[21]在2014年设计了一种4自由度外肢体机器人,如图4所示. 该机器人固定在穿戴者腰部,左右配置有2台机械臂. 一台机械臂在视觉传感装置引导下通过末端的电磁吸盘抓取并固定被安装件,另一台机械臂在视觉传感装置引导下将末端钻套固定在预设位置,从而引导工人顺利完成钻孔作业. 该外肢体机器人的应用可以提高钻孔的稳定性及质量,减少工人体力消耗,提高工作效率. 不过由于结构、材料的限制,机器人整体重量较大,在长时间穿戴情况下人体负荷大,穿戴舒适性也较差.

图 4

图 4   面向舱内钻孔作业的外肢体机器人

Fig.4   Supernumerary robotic limbs for drilling operation in cabin


面向舱内布线及装配作业,麻省理工学院的Bright [22]在2017年研制了一种外肢体机器人,如图5所示. 该机器人主要包括背带、2台3自由度机械臂、粒状卡纸爪以及其他配套模块. 利用粒状卡纸爪能从任意方向抓取物体的特性,该机器人在仅有3个自由度的条件下即可完成原需6自由度机器人才能完成的任务. 该末端的应用简化了机器人结构,减轻了机器人重量.

图 5

图 5   面向舱内布线及装配作业的外肢体机器人

Fig.5   Supernumerary robotic limbs for interior wiring and assembly in cabin


除了美国麻省理工学院针对辅助操作外肢体机器人进行了较为系统研究外,国外多个大学与研究机构也面向不同作业类型进行了广泛探索与研究.

韩国高丽大学的Seo等[23]在2015年研制出面向天花板安装任务的外肢体机器人,该机器人主要由背心(见图6(a))、2台3自由度机械臂(见图6(b))及相关配套设施组成. 为了识别工人是否需要以及何时需要协助,该机器人可以通过安装在人体手臂上的惯性测量单元测量手臂运动信号,在信号满足协助条件时协助工人运动. 除此之外,该机器人基于逆运动学对研究人员身体运动造成的干扰进行反馈补偿. 实验结果表明,机器人末端可以将170 mm范围内的扰动造成的偏差控制在20 mm内,补偿效果明显[24].

图 6

图 6   面向天花板安装作业的外肢体机器人

Fig.6   Supernumerary robotic limbs for ceiling installation


日本庆应大学的Sasaki等[25]在2017年研制了名为MetaLimbs的脚控外肢体机器人,如图7所示. 该机器人的机械臂仿照人的手臂设计有6个自由度,其末端可以安装手爪或焊枪、螺丝刀等器件. MetaLimbs采用脚控方式,运动灵活,定位准确,可以完成较为复杂多变的作业任务,但受脚控方式的限制,MetaLimbs只适用于坐姿状态下的人机协同作业. 2019年,该机构研制了另一种名为Naviarm [26]的外肢体机器人,如图8所示. 该机器人的末端与人体双手相连,在该系统中,机械臂的运动轨迹可以通过前期记录,穿戴者可以利用记录的轨迹快速学习相应技能,Naviarm在远程教学及远程医疗方面有广阔的应用前景.

图 7

图 7   外肢体机器人MetaLimbs

Fig.7   Supernumerary robotic limbs named MetaLimbs


图 8

图 8   外肢体机器人Naviarm

Fig.8   Supernumerary robotic limbs named Naviarm


2018年加拿大跨学科技术创新研究所的Veronneau等[27]研制了基于液压驱动的3自由度外肢体机器人,如图9所示. 由于采用液压驱动方式,机器人将驱动及控制模块外置,减小了穿戴部分重量,提高了机械臂负载能力与运动灵活性. 该机器人可以应用于采摘、涂覆、搬运等多种作业场景.

图 9

图 9   基于液压驱动的3自由度外肢体机器人

Fig.9   3 DOF supernumerary robotic limbs based on hydraulic drive


康奈尔大学的Vatsal等[28]在2018年研制了一种安装在肘部的外肢体机器人. 该机器人共拥有5个自由度,可以在日常生活中帮助人体抓取、搬运、稳定物体,如图10所示. 该外肢体机器人可以使人体可达工作空间较原有空间提升至246%. 此外,该机器人使用线性模型对延迟进行预测,对人体干扰造成的机器人运动偏差进行了有效补偿[29].

图 10

图 10   安装在肘部的外肢体机器人

Fig.10   Supernumerary robotic limbs mounted on elbow


总体来看,刚性外肢体机器人具有刚度大、强度高、负载大的优点,可以较为完整的扩充、补偿整个肢体的功能. 不过,该类机器人普遍存在结构臃肿、重量大、穿戴舒适性差、安全性差的问题.

2)辅助操作柔性外肢体机器人

为了在保留外肢体机器人功能的同时尽可能避免刚性外肢体存在的问题,研究人员采用了2种解决思路,一种是采用柔性外肢体结构以减轻重量;另一种是将外肢体机器人所拥有的机能由整个手臂向局部转变,并由此衍生出了外前臂、外手指机器人. 柔性外肢体机器人除了拥有重量较轻的优点外,还具有高柔顺性、高安全性、高负载比等诸多优点,因此越来越受到研究人员的关注,在近两年获得了较为快速的发展.

美国亚利桑那州立大学的Vale等[30-31]在2018年设计出柔性外肢体机器人Soft Poly-Limbs(SPL),如图11所示. 机械臂本体采用可变形材料,通过具有特殊设计的气动单元将驱动与运动结合起来. 配合不同末端执行器,机器人可以协助人体对物体进行搬运、支撑操作. 该型机器人适用于面向中小物体的作业需求,不适用于对较大、较重物体进行操作. 因此,该机构在2019年[32]设计了基于高强度织物的大负载柔性外肢体机器人fabric-based Soft Poly-Limb(fSPL),如图12所示. 通过控制充放气,该机器人能具有较大的伸缩及弯曲性能,可以在三维空间内完成物体的抓取、移动作业. 该机器人具有低重量、高负载比、高安全性的优点,自重仅约1 kg,负载最大可以达到11.13 kg,可以充分满足面向日常生活场景的外肢体机器人的负载要求.

图 11

图 11   柔性外肢体机器人SPL

Fig.11   Soft supernumerary robotic limbs named SPL


图 12

图 12   柔性外肢体机器人fSPL

Fig.12   Soft supernumerary robotic limbs named fSPL


新加坡国立大学的Liang等[33]在2018年设计了一种完全基于尼龙织物的充气式柔性外肢体机器人,如图13所示. 机器人包括臂部和手部,通过控制内部气压的变化可以控制机器人臂部和手部在二维平面内弯曲或伸展. 不足的是,机器人难以满足在三维空间的运动需求,仍有较大改进空间.

图 13

图 13   充气式柔性外肢体机器人

Fig.13   Inflatable flexible supernumerary robotic limbs


日本早稻田大学的Al-Sada等[34]于 2019 年研制了面向生活场景的蛇形外肢体机器人 Orochi,如图14所示. 该机器人借鉴蛇的变形原理,设计有25个自由度,可以方便地缠绕于人体各部位并产生可控的复杂运动. 配合两端的末端执行器,Orochi可以完成诸如打伞、抓取、移动物体等操作.

图 14

图 14   蛇形外肢体机器人 Orochi

Fig.14   Snake shaped supernumerary robotic limbs named Orochi


2.1.2. 辅助支撑外肢体机器人研究现状

辅助支撑外肢体机器人的应用不及辅助操作外肢体机器人广泛,针对该方向的研究成果也较少,未来仍需要更多机构进行持续深入的研究.

美国麻省理工学院的Wu等[35-36]在2016年研制了一种用于辅助人体支撑与平衡的外肢体机器人,如图15所示. 该型机器人主要包括背部穿戴机构、2台3自由度机械臂以及电源、控制器等配套设备. 每台机械臂包含2个旋转运动关节与1个直线运动关节. 直线关节设计有反向驱动自锁的功能,可以在较少的能耗下提供稳定的支撑力. 该型机器人可以在舱内装配工作中对吊挂或半蹲位姿下长期工作的工人提供支撑与保护.

图 15

图 15   辅助支撑外肢体机器人

Fig.15   Supernumerary robotic limbs for auxiliary support


为了独立、自如地控制用于人体支撑的外肢体机器人的运动,Parietti等[37]在2017年研制了另一型外肢体机器人样机,该机器人在结构上与第一型相似,如图16所示. 机器人可以通过测量躯体胸肌和腹肌两处肌电信号的强度及变化控制机械臂的摆动幅度与方向. 相关试验表明,人们在经过简单训练后可以熟练使用肌肉控制该机器人的运动.

图 16

图 16   肌电控制的外肢体机器人

Fig.16   Supernumerary robotic limbs controlled by electromyogram


除了可用于坐立工况的辅助支撑外肢体机器人外,美国麻省理工学院的Kurek等[38]在2017年研制了用于近地支撑的外肢体机器人MantisBot,如图17所示. MantisBot在结构上同样包括背部穿戴结构与2台3自由度机械臂. 研究人员对人机模型进行受力分析并对力控系统进行设计,对样机的受力进行实验,验证了力控系统的有效性.

图 17

图 17   外肢体机器人MantisBot

Fig.17   Supernumerary robotic limbs named MantisBot


2.2. 国内研究现状

国内关于外肢体机器人的研究起步较晚,研究成果也较少,但近两年研究情况表明,关于外肢体机器人的研究越来越受到国内研究机构的重视,目前已有多个国内机构针对外肢体机器人进行了初步探索.

华南理工大学的杨辰光等[14]提出穿戴在人体肩部的外肢体机器人,配合3种不同控制方式,适用于残障或健康人群;哈尔滨工业大学朱延河等[15]提出穿戴在背部的变构型外肢体机器人,提出串并联变构型的本体结构方案;华中科技大学[16]提出运动辅助两用式外肢体机器人,既可以用于辅助行走,又可以用于抓取作业;上海交通大学[17]提出基于液压驱动与带传动的肩部外肢体机器人;清华大学[18]提出外肢体负重行走辅助机器人. 此外,中国科学技术大学的李智军教授团队在2019年基于人体工程学研制了面向日常生活应用的外肢体机器人[19],如图18所示.

图 18

图 18   面向日常生活应用的外肢体机器人

Fig.18   Supernumerary robotic limbs for daily life applications


3. 外肢体机器人研究要点

尽管不同种类的外肢体机器人在结构、功能上有许多区别,但其可穿戴结构设计决定了外肢体机器人具有小质量、高安全性、高人机交互性以及高抗干扰性等共性要求,本节针对以上各要求及其实现方案进行分析总结.

3.1. 小质量、高舒适性的实现

目前已有外肢体机器人的质量一般约为10 kg,考虑到长时间穿戴的舒适性问题,该重量仍然较重. 为了减轻外肢体机器人结构重量、提高穿戴舒适性,研究人员进行了广泛探索,主要有以下方案:1)采用新型材料. 通过使用密度小、刚度大的复合材料,如碳纤维代替普通金属材料,可以明显减小外肢体机器人重量. 2)采用新型结构. 通过创新性的结构设计减小复杂程度;变典型刚性结构为软体结构,减小金属材料的占比. 3)合理配置重量分布. 改进驱动电机布局,优化驱动方式,采用绳驱动、气压驱动的方式减小总重,同时优化重量分布,以起到减重、增加穿戴舒适性的效果.

3.2. 高安全性的实现

安全性能是人机协作机器人设计时最先考虑的问题,外肢体机器人由于与人共享工作空间,更要格外注重安全性设计.

人机协作的安全控制方案无非2种,一种是基于外部监控的外部控制系统方案,另一种则是基于机器人本体设计的内部控制系统方案. 机器人的运动控制系统要充分考虑机器人的避障与碰撞保护,保证较高的安全系数;在机器人硬件安全保障方面,可以采用限位块进行机械防护. 同时,在机械结构设计中,可以通过建立机器人运动学模型、分析机器人的可达空间,充分避免机器人对人体的侵入式设计.

3.3. 高人机交互性的实现

对于外肢体机器人来说,良好的人机交互性能是人机高效协作的前提. 为了实现高效的人机协作,目前主要存在映射控制、肌电信号控制、脑机接口控制方式,此外研究人员也对声控[33]、主从控制[27]进行了探索与研究.

映射控制方式利用惯导、弯曲传感器、视觉传感器等传感单元采集的肢体运动信号将人体上肢、下肢、手指等部位的运动与外肢体机器人运动建立一定的映射模型,机器人利用该模型完成识别、判断及指令控制,从而控制外肢体适时完成协作动作. 麻省理工大学 [20]、高丽大学 [23]、庆应大学[25]等机构研制的多种外肢体机器人均采用映射控制的方式,形成了较为完整的控制体系.

肌电信号控制方式是利用人体肌电信号估计人体运动意图,从而控制外肢体机器人协助人体作业的方式. 随着对肌电信号控制的深入研究,目前已经能够较为准确有效地采集、处理人体肌电信号,估计人体运动意图. 麻省理工大学[37]、意大利研究院[39]等利用胸肌、腹肌及额肌等多处肌肉信号进行外肢体机器人的控制设计,取得了较好的控制效果.

脑机接口控制是较为高级的控制方式,利用脑电信号直接传递运动意图给外肢体机器人,可以真正实现人机合一的效果. 德国弗莱堡大学[8]、日本的国际先进电信研究所[3]对机械臂的脑电波控制进行了相关研究,证明了脑电波控制的可行性. 但由于脑电信号采集、处理非常复杂,且存在多种干扰,采用脑机接口控制的外肢体机器人目前仍处于探索阶段. 随着技术的不断完善与成熟,脑机接口控制将在外肢体机器人控制方面发挥巨大作用.

3.4. 高抗干扰性的实现

外肢体机器人的基坐标系固定于人体,人体的不规则运动使外肢体机器人的稳定性、准确性大大降低. 为了保持人机协作过程中机器人作业的有效性,须对该干扰进行补偿. 较为有效的方案一般采用基于实时检测与机器人逆运动学的反馈补偿方式. 高丽大学[24]、康奈尔大学[28]利用该方式进行补偿研究,有效减小了人体干扰造成的偏差.

4. 结 语

随着劳动力成本进一步上升,机器人产业必将迎来更大的发展空间. 外肢体机器人凭借其独特优势在建筑业、工业制造业、航空航天等领域有着广阔的应用前景. 须明确的是,外肢体机器人的研究起步较晚,其发展目前仍处在初级阶段. 在未来,研究人员仍须攻克轻量化、自动化、智能化等难题,因此外肢体机器人的发展仍然任重而道远. 但无可否认的是,新型材料、人工智能、脑电控制等先进学科的发展必将促进外肢体机器人的更新换代,使外肢体机器人逐步趋向实用化、成熟化并最终实现大规模应用.

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