中國機器人的搖籃，帶你“上天入地”
http://www.debgrams.com 2019-10-28 15:59 來源：《國科大》雜志 機器人大講堂
一個人能到達的最遠地方是哪里？
劉開周的答案是7062米下的大洋深處，在被公認為世界最深、最難征服的馬里亞納海溝。
而帶他前往的是中國自行設計、自主集成研制的“蛟龍”號載人潛水器，該潛水器成功完成了世界上首次在7000米深度近海底的自動定向、定深、定高、定速和懸停定位等5種全自動航行控制功能。
這項成果，讓國際水下機器人領域為之一振。
事實上，不只是水下機器人，過去數十年，中國科學院沈陽自動化研究所（簡稱“沈陽自動化所”）創造了中國機器人事業發展史上的20多個“第一”。從這里誕生的機器人上可九天“攬月”，下可五洋“探寶”，也能攀援在高山深澗與懸崖峭壁間。它們“代替”人們踏足環境險惡之地，協助人們完成未竟的夢想。
沈陽自動化所，被譽為“中國機器人的搖籃”。
1、“蛟龍”號的“大腦”
劉開周，沈陽自動化所研究員，是“蛟龍”號載人潛水器控制系統的開發者之一和潛航員，被中共中央、國務院授予“深潛英雄”稱號。
讀博士期間，劉開周師從中國工程院院士封錫盛，從事機器人半物理仿真平臺和水下機器人控制系統的研究與開發工作。劉開周介紹，控制系統相當于載人潛水器的“大腦”，而半物理仿真平臺是一套實時仿真系統，它本身就相當于一套虛擬的載人潛水器系統。
“我們的責任是，保障潛水器安全可靠運行，盡可能減少試航員遠距離航行尋找目標的勞動強度。”劉開周說。
他們所開發的控制系統軟件可以在半物理仿真平臺進行調試和驗證，通過驗證后可直接下載到實際的載人潛水器控制系統中，這大大降低了載人潛水器的運行成本和相應的風險。同時還能對試航員進行全真培訓，極大提高了試航員的操作水平和熟練程度。
劉開周表示，相對于一般在水下最多十幾噸重的水下機器人而言，“蛟龍”號在水下可重達40多噸，“控制系統是一個新的挑戰，比如海水密度、水下壓縮、機械手操作等易受水流影響而多變，影響航行穩定和潛水器安全。”
為了克服"蛟龍"號參數時變、閉環系統各環節的不確定性問題，劉開周借鑒專家控制經驗，研究了基于模糊原理的控制參數在線自動調整的控制策略，以及基于數論的數據處理方法，實現了"蛟龍"號在復雜海洋環境下高精度導航定位、航行控制、載人艙內綜合信息顯控、水面監控、黑匣子數據分析和控制系統測試等功能。
這些，使得“蛟龍”號在7000多米深淵中“乖乖聽人指揮”，完成任務。
接手“蛟龍”號時，劉開周剛博士一年級。他坦承，起初還有些膽怯，“不敢接”。項目開始時，整個團隊傾盡全力，對系統的每個細節錙銖必較。他們每天都在問自己：“可能會發生什么情況？還可能會發生什么情況？”
海試“10小時”的背后，是水試、湖試的“數年功”。劉開周說，水池實驗也十分重要。在博士期間，他們下潛過60多次湖，80%的設計人員都下潛過，只有確認沒問題了，才能下海，“實驗室做出來的仿真算法跟真正在水里的情況幾乎完全不一樣，也許可以仿真一部分，但修正的任務才是最艱巨的。”
多年來，劉開周參與并一步步見證了“蛟龍”號從1000米、3000米、5000米到7000米的每一個里程碑。
在他看來，是使命感驅使著自己，一路向前——“在國家需要的時候，你在哪兒？你在干什么？做有準備的人，在國家真正需要你的時候，就不會出冷汗。”
2、海洋“幽靈”
2019年4月1日，中國南海，由沈陽自動化所完全自主研發、擁有自主知識產權的“海翼”號水下滑翔機順利回收。它不負眾望，再次創下新紀錄：連續工作時間長達211天，續航觀測距離3400多公里。
收到這一消息時，遠在3000余公里之外的沈陽，沈陽自動化所研究員、海洋機器人卓越創新中心主任俞建成自豪又激動。
近年來，“海翼”號所向披靡，創造了一個又一個驚人的世界紀錄：在馬里亞納海溝創下6329米的水下滑翔機世界深潛紀錄、實現國內最大規模的水下滑翔機集群組網觀測、首次在白令海布放的同時，也首次應用于中國北極科考……
作為“海翼”號水下滑翔機的設計師，俞建成十分清楚，16年來，“海翼”號取得光鮮成績的背后，是團隊成員朝乾夕惕的奮斗、日雕月琢的堅守。
2003年，俞建成剛考入沈陽自動化所攻讀博士學位。在一次周六例行討論會上，導師張艾群（時任沈陽自動化所水下機器人研究中心主任）推薦給他一份國外關于水下滑翔機的最新研究成果。閱讀之后，俞建成對這一新事物產生了濃厚興趣。那時已確定了博士課題方向的他，只是把水下滑翔機當成“業余愛好”。“當時這還是個很小的方向，那時國內包括所里關注的重點是AUV等傳統典型的大型海洋裝備式的水下機器人，我也沒想到水下滑翔機能干點啥，也沒想到能像今天這樣‘熱’。”
16年前，沈陽自動化所率先組建團隊在該領域布局并開展探索。俞建成成功申請了研究所“知識創新工程蔣新松創新基金”，并獲得了12萬元的經費支持，他開始帶著師弟們一起做水下滑翔機。
2005年，他們在國內率先研制出了“海翼”號水下滑翔機原理樣機，并成功在湖里“動”了起來，解決了滑翔機運動與驅動機理、模塊化結構、低阻外形優化等一系列關鍵技術，這是從無到有的突破。
事實上，當時在國際上，水下滑翔機因其能源利用效率高、噪音低，具有能開展大范圍、長時間連續海洋環境觀測的優勢，已成為國際研究和競爭的熱點。
2006年，水下滑翔機被列入國家高技術研究發展計劃（863計劃）項目申報指南中。此時，恰好博士畢業的俞建成在導師鼓勵下申請其中一個項目并成功入選。“我很幸運，非常感謝我的導師，項目競爭非常激烈，競爭者都是研究員級別的，而我只是剛畢業的博士生，是導師極力堅持讓我獨立申請。”
就這樣，俞建成與研究室兩位職工正式組建團隊。2009年，他們做出了國內第一個在海上實驗并成功的水下滑翔機樣機。盡管指標并不高，深度只有1200米，航程500米，但“第一個”的榮譽就已極其珍貴。
“當時海上條件還是蠻艱苦的。”俞建成對第一次海試的經歷記憶猶新。2009年夏天，10人共同前往三亞，為了節約經費，他們在三亞租借了一艘小漁船。團隊經歷的第一個考驗就是暈船，在海上顛簸了一晚上，還未到達海試地點，就已有人暈得無法下床。
“由于船很小，大家只能擠著在甲板上睡覺。10多天下來，曬得跟漁民一樣了。我們還在海上養雞養鴨作為食物來源。”再回首，在俞建成眼中，除了艱苦，更多的是難得的經歷，以及大家相互扶持，攻堅克難、完成任務的幸福，“現在我們的條件好多了。”
2009年，他們成功研制出第一代“海翼”水下滑翔機工程樣機并在千島湖完成湖上實驗，最大下潛深度為1200米。
團隊的目標很清晰，大幅提升水下滑翔機海里的工作時間和航行里程，實現長期在海洋里面停留并完成一些工作。經過16年艱辛探索，“海翼”號水下滑翔機足跡遍布東海、南海、太平洋、印度洋、白令海峽。2018年，兩臺“海翼”號7000米級水下滑翔機完成了長達1448公里的馬里亞納海溝深淵測線觀測，最大下潛深度達7076米，是目前世界上下潛深度超過7000米次數最多的滑翔機，也是世界上唯一一款能長時間連續穩定工作的深淵級滑翔機，同時順利完成對海溝溫度、鹽度、水體特征等的探測作業。
“現在，水下滑翔機的技術已經很成熟了，但對于續航里程的要求是無止境的，長遠目標是超過1年，這對海洋科學的影響將會是顛覆性的，或許那個時候我就可以退休了。”俞建成期待著愿景實現的那天。
“我們現在還在考慮它在水下待那么久，能干什么事，能解決什么問題。”俞建成說，他們正在與海洋科學家合作，解決海洋預報、海洋觀測等難題；推動數據共享，以及拓展更多的應用場景，最大發揮水下滑翔機的應用價值。
3、機器人中的“特種兵”
電力巡檢，一直被稱為高危行業、特種作業。
我們常常在電視新聞中看到這樣的畫面：無論烈日炎炎，還是冰雪嚴寒，頭戴安全帽、背負重達幾十公斤檢修設備的電力巡檢工人總徒步翻越高山、穿越河谷叢林，日行十幾公里，檢修受損鐵塔、巡護線路設施，清查電線周圍障礙物，保障電力系統的正常運行。
“電力巡檢工人太艱難了，南方有南方的苦，北方有北方的難。但電網作為國民經濟的命脈，這個工作必須得干。”沈陽自動化所工藝裝備與智能機器人研究室副主任王洪光談及此時，感到“痛心”。
2001年，錦州超高壓局向沈陽自動化研究所提出希望聯合研制電力巡檢機器人的需求，王洪光開始接觸這一領域。然而，起初他們并不被看好，尋求支持時也吃過不少“閉門羹”。
電力專家質疑：“你們不懂電力環境的復雜、任務的艱難、要求的苛刻，你們做不出來。”同行專家也勸他們：“別做了，這個項目這么難，錢肯定都打水漂了。”
也許是“無知者無畏”，王洪光想著憑著已有的技術積累，針對需求做一些改裝設計，應該也不會很難，他和團隊把電力巡檢機器人的項目擔下了。然而，隨著了解的深入，他發現事情遠非想象的簡單。但是既然做了，就要堅持下去，王洪光和團隊用了3年獲得質疑者的認可和信任，用了近20年的時間做出了產品。
“最難克服的是，如何讓電力機器人在強電磁場環境下運行。”回顧過去，王洪光記憶猶新。他舉了個例子，從低電位到500千伏的這一瞬間，如果電磁兼容沒做好，機器人立刻就會被電得“五馬分尸”，而機器人的電磁兼容防護需要特殊的技術手段，至今仍是難點。
不過，幸運的是，時至今日，經王洪光手的機器人還沒有一臺在巡檢現場“死掉”。“我不敢讓它‘死’呀。”王洪光直言，一臺機器人少則幾十萬元，多則上百萬元，“賠不起”。而更重要的是，機器人“死掉”有可能使得電力線路受損和人員受傷，而這是一定不能發生的。“一旦有危險，無論什么狀態下都不能做實驗。”
整機機器人雖然沒有“死掉”，但單元模塊測試實驗時的“苦頭”他們可沒少吃。受強電磁場環境影響，“空中”的機器人與地面基站之間的通訊可能會中斷，而負責通訊系統的是機器人機載控制器。“這相當于‘生命線’，若是通訊中斷，就像斷了線的風箏一樣，你給機器人發指令，它不走，這時候真是沒辦法，只能干著急。”王洪光坦承，他們前幾年都在解決這個問題，“那段時間是我們最痛苦的階段。”
如今，王洪光團隊研發的電力巡檢機器人已經從簡單的巡視跨向具備巡檢作業功能。他們開發的AApe系列電力檢測與維護機器人已應用在電網輸電、變電及配電設施的運行檢測與維護等工作中。電力巡檢機器人從東北的原始森林走到西南的盆地、喀斯特地貌，現在開始在南方山地丘陵“大展拳腳”。
“值得驕傲的是，我國電力機器人的研究在國際上位居一流行列，在某些技術產品及其性能指標上處在國際領先位置。”近20年來的成果逐漸開始在世界占有一席之地，這讓王洪光也越發充滿信心，但也深感未來依然面臨諸多挑戰。
“沈陽自動化所作為科技國家隊中的一員，一定要在國民經濟主戰場上發揮技術引領的作用；另一方面，我們期望最終能做出優秀的產品進行應用，推動產業化發展，這樣才對得起這么多人力財力、時間和精力的投入。”王洪光說。
4、空間“使者”
還記得2017年12月26日3時44分這一特殊時刻嗎？
在位于西昌涼山彝族自治州的西昌衛星發射中心，我國用長征二號丙運載火箭，成功將遙感三十號03組衛星發射升空，衛星進入預定軌道，發射任務獲得圓滿成功。
這個時刻，沈陽自動化所空間自動化技術研究室副主任劉金國一直記得，因為團隊研制的“太陽電池陣及其展開系統”作為關鍵部件成功應用于該衛星，為我國多星組網式電磁環境探測及相關技術試驗提供了重要支持。
該系統所應用的關鍵部件就是太陽翼。太陽翼是衛星的能量來源，衛星發射時太陽翼處于折疊狀態，星箭分離后打開以及在衛星飛行過程中不斷調整方向等都需要太陽翼來供能。此前發射的遙感三十號01和02組衛星上，該系統也被成功應用。
可以說，太陽翼的供能狀況決定著衛星的“生死”。過去，這曾是中國科學院的一項“卡脖子”技術，“技術掌握在別人手中，人家要多少錢我們就得給多少錢。”劉金國說。
沈陽自動化所臨危受命，劉金國和團隊成員攻堅克難，用了不到兩年的時間實現技術突破，為國家空間探索提供一系列先進的結構與機構。
2010年，沈陽自動化所空間自動化技術研究室應國家進行外太空、月球與其他星球科學探索需求而生，開展空間智能裝備和相關技術的研究，聚焦三大領域：載人航天、國家月球與深空探測、衛星的機構與結構。
載人月球探測是目前各個航天大國關注的焦點。今年年初，國際學術期刊Environmental Toxicology 以封面論文的形式，邀請刊載了劉金國團隊在載人月球探測預先研究領域的最新成果。研究人員利用模擬月塵，針對月塵對呼吸系統的毒性及其作用機制進行了深入研究。結果表明，吸入月塵可能會引起炎性肺纖維化病變，炎癥和氧化應激是月塵引起肺損傷的重要因素。這將為航天員月塵毒性的防治提供重要依據和參考。
在劉金國看來，宇航員面臨的“危險”不止如此。“我國載人航天每次只有3名宇航員，但科學實驗非常多，而且諸如細胞切割、注射、轉移等精密實驗比較危險，宇航員一旦在操作中受傷，在太空中無法愈合，必須得返回地面。”劉金國希望所有的太空科學實驗都應該實現機器人化。
在沈陽自動化所一樓展廳里最顯眼的位置，安放著嫦娥三號月球車的原理樣機，它基本模擬了國家所規定的月球車的質量、大小、外形和功能。其中，機械臂系統由沈陽自動化所設計與研制，這次研發為沈陽自動化所在月球與深空探測方面積累了一系列技術和經驗。
今年年底前后，嫦娥五號月球探測器發射成功之際，將是這套機械臂系統閃亮登場、展現自我的時刻，屆時，它會支撐探測器的“眼睛”，將月球“一覽無遺”。
5、給機器人一雙“慧眼”
微創手術，這種最大程度保護患者、減小創口的手術，卻給外科醫生提出了極高的要求。特別是傳統的脊柱微創修復手術，因為創口極小，所以醫生的視野也非常受限，幾乎是“盲操作”。
要知道，脊柱周圍神經密集，一旦損傷神經，后果不堪設想。在無法視物的情況下操作脊柱手術，就仿佛電影《偷天陷阱》里，凱瑟琳·澤塔瓊斯蒙著眼睛穿越紅外線交錯的天羅地網。
目前，醫生通常用X光來幫助自己透視脊柱內部結構。但X光會產生一定輻射，處于備孕、懷孕等特殊階段的人都不適用。此外，X光只能記錄手術中特定幾個時刻的靜態畫面，不能實時提供變化的信息。
沈陽自動化所唐延東課題組研發的計算機視覺技術，可以幫助醫生在整個手術過程中看清脊柱及周邊的內部結構。在實驗室中，甚至已經實現了脊柱手術的“遙操作”——外科名醫不須親臨現場，就能憑借顯示器上的實時圖像操控機器人開展手術。
“有人說，我們的工作，就是給機器人安上一雙眼睛。但這句話只對了一半，‘眼睛’后面，還連著一個‘大腦’呢！”唐延東說，“機器人‘看到’東西之后，接下來的感知、識別、判斷、反饋，才是最重要的環節。”
給機器人一雙慧眼——所謂“慧眼”，不正是講究“眼腦”結合、“智能”支撐嗎？
“我們工作的主要原理，是在攝像機成像的基礎上，用計算機程序處理圖像中所包含的信息，從而指導機器人做出準確的反應。”另一位研究計算機視覺的科研人員朱楓說，“嚴格來說，這并不是真正的視覺，但我們的目的達到了，那就是在特定場景下實現需要‘視覺’的特定功能。”
時光倒退到2016年10月19日，天宮二號空間實驗室與神舟十一號載人飛船對接，航天員走進“天宮”，與里面的機械手臂協同完成了一系列在軌維修實驗。鋼筋鐵骨的機械臂，一絲不茍地旋擰螺絲，靈巧地抓取飄浮在空中的小球——就仿佛心明眼亮的活物。
這就是朱楓團隊凝心聚力研發的空間視覺技術，在“特定場景”下實現的“特定功能”。
6、讓機器人“活”起來
機器是無機的、剛性的、固定的，生命是有機的、柔性的、生長的。“機器人”發展至今，雖然看起來具備了很多模擬生命活動的功能，但說到底，大多數仍然只是單純的“機器”。
正如朱楓所說：“機器視覺的基礎，仍然是機電系統和數據計算，與生物的視覺機制截然不同。”
難道有機世界和無機世界之間的“次元壁”，就真的無法突破嗎？
沈陽自動化所機器人學研究室主任劉連慶笑了，在他的一臺紅外照相機里，“養”著一顆活生生的響尾蛇細胞。
響尾蛇的“臉”上，有一個面積僅有1平方毫米的頰窩，能通過蛋白質折疊和離子通道觸發來感知紅外線，從而覺察環境中0.001℃的溫度變化。有了這個逆天神器，響尾蛇就能在完全的黑暗中，捕捉老鼠等溫血動物。
與大自然的造化相比，人類發明的商用紅外感知器件卻笨重了許多，不僅需要大體積的冷卻系統輔助，而且很難達到響尾蛇的感知精度和頻譜寬度。
劉連慶決定把生命系統融合進機電系統。他和中科院成都生物研究所、上海藥物研究所以及中國科學技術大學合作，把光敏感生物蛋白轉入模式細胞，使其獲得感光能力，然后把這顆細胞通過特殊技術植入紅外相機的金屬外殼下。
作為沈陽自動化所正在大力推進的學科方向之一——類生命機器人正在不斷創造著新時代的神話。
今年剛剛博士畢業并已提前留所的張闖，是席寧和劉連慶兩位研究員的學生。他的主攻方向是服務醫療領域的類生命微納機器人。他把來源于人體的骨骼肌細胞和心肌細胞，與硅膠軟體材料結合在一起，做成極小的納米機器人。這類肌細胞的看家本領，就是把人體血液中的ATP化學能直接轉化成機械能，為納米醫療機器人提供動力。在身體看來，這些肌細胞都是“自己人”，因而不容易觸發免疫反應。
張闖的師兄李密，則致力于用納米機器人對戰癌癥。美羅華是治療B細胞淋巴瘤的靶向特效藥，但只能對一部分病人起效果。因淋巴癌病逝的著名主持人羅京，就不幸與這種藥物無“緣”。
“這跟癌細胞表面的一種靶點有關。”李密說，“如果我們能在開展治療之前，就派出納米機器人先遣隊，去檢測一下靶點，預測這個病人能不能用美羅華，將是推動淋巴瘤精準醫療的重要一步。”
但是，研究藥物與淋巴瘤細胞的相互作用，需要特殊的水凝膠微環境，而現有的水凝膠都不具備他們所需要的性質。李密向自然界中的捕蟲植物茅膏菜偷師學藝，模擬出了茅膏菜黏液水凝膠。淋巴瘤在這種凝膠中，會形成一個三維球狀體，乖乖等待納米機器人前來“體檢”。
正如劉連慶所說，仿生機制是當今機器人“進化”的一大推動力量。地球生命歷經40億年積淀下來的進化智慧，是機器人取之不盡的巨大寶庫。這是一個偉大的時代，機器人正處于一個從“更像機器”到“更像生命體”跨越的歷史階段。讓機器人“活”起來，是沈陽自動化所類生命機器人團隊肩負的歷史使命。
走在沈陽自動化所，就是走在一個機器人總動員的王國。如今的沈陽自動化所，早已不再僅僅是孕育新生的“搖籃”，而更像一所專業齊全、實力雄厚的“大學”，把機器人分門別類地培養成材，推向世界最前沿的競技舞臺。
在這些八仙過海、各顯神通的機器人背后，是許許多多勤勞聰慧、有血有肉的沈陽自動化所科研人。他們精雕細琢時的姿態、頭腦風暴時的神采，正完美推動著“人工”與“智能”碰撞出燦爛火花。
編輯精選
