南科大機器人研究院院長戴建生。深圳商報記者 張郗郡 攝
變胞足式機器人。
“變身”機器人
●它可以蜷縮成一團，鑽進狹窄的空間
●它可以舒展出4隻“腳”，靈活地攀爬台階
●它是世界首款具有多種模仿形式的變胞足式機器人
●它将在醫療等更多應用領域大有可為
深圳新聞網2024年4月9日訊（深圳商報首席記者 吳吉）科幻電影裡，“變形金剛”一會兒變成汽車風馳電掣，一會兒變成人形健步如飛。近日在南方科技大學，記者也看到了這樣一款可自由“變身”的機器人，隻見它可以蜷縮成一團，鑽進狹窄的空間；也可以舒展出4隻“腳”，靈活地攀爬台階……在不需要拆卸和重新組裝的情況下，它可以在爬行動物、節肢動物和哺乳動物之間來回切換。這一世界首款具有多種模仿形式的變胞足式機器人是由南科大機器人研究院研發的，而牽頭者就是南科大機器人研究院院長、英國皇家工程院院士、歐洲科學院院士戴建生。
開創性理論的靈感來自折紙
“倚徑登山查豸變，鋪書橫撰變胞觀。物群進化有其道，機器多功克萬難。”這幾句詩節選自戴建生創作的一首七律《孟春奮進》，其中的“變胞”，指的就是他研究了20餘年的變胞機器人。
1996年，完成博士後工作的戴建生進入了世界著名美妝/日化企業聯合利華工作，所負責的項目是開發機器靈巧手，輔助産品包裝的設計與生産。“大家都知道，香水的包裝是很考究的，要想研發出可以實作這麼複雜任務的機器靈巧手很不容易。當時，我的辦公桌上堆滿了各種漂亮的包裝紙盒，我每天就把這些包裝紙盒折來折去找靈感。”戴建生回憶說，靈巧手的研發需要先研究對象，而包裝紙盒就是這個對象，需要給它的折疊軌迹模組化。他看着這些變化萬千的折紙，突發奇想——這折紙的折痕與連接配接紙闆不就是鉸鍊、連杆嗎？這種映射方法可不可以應用到機器人結構學中呢？
經過一番深入研究，他從生物學原理提出Metamorphic Mechanisms，相關論文在1998年發表，奠定了他在這一理論領域裡的開創性地位。此後，他與中國工程院院士張啟先共同确認中文翻譯為"變胞機構"，至今已在變胞機構與可重構領域深耕了20餘年。
戴建生與團隊的多年研究在國際上開辟了可重構機構與可重構機器人的新領域，此次在業界引起一片驚歎的變胞足式機器人就是基于這一理論的研發成果。“幾十年來，機器人的本體幾乎沒變，都是用手臂來完成指令。但是變胞機器人不同，它可以用本體來完成各種變化，适應各種場景。我相信，它在應用領域會有廣闊的發展空間。”戴建生說。
戴建生對機構學與機器人學的貢獻使得他獲得了2015年的 “ASME DED 機構學與機器人學最高獎”；2020年，他獲得了更高榮譽——ASME機械設計最高獎，為首位華人獲獎者，頒獎詞高度評價他“為建立可重構機構領域和變胞機構子領域做出了開拓性與奠基性貢獻”。他的工作在2023年得到再次肯定，國際機器理論與機構學聯合會（IFToMM）授予他“IFToMM 卓越成就獎”，評價他 “在機器理論和機構學（變胞機構）上取得了異常重要的成就，為國際機器理論與機構學下一代科學家們建立了新的研究方向”。
戴建生的靈感來源于折紙，他的折紙研究是全球最早的。直到現在，他所培養的博士生還在研究折紙。折紙千變萬化的玄妙，為機器人的變形提供了依托。而正如閑暇時喜歡吟誦詩詞，戴建生說，藝術和科技不可分割，這兩種思維的融合，研究思路才得以開闊。“機器人就是一門綜合的學科。”戴建生在身後的白闆上寫下這樣的關鍵詞——“藝術啟迪、生物貫通、數學主導、實踐融合”。始于藝術激發的靈感，以科學的邏輯不斷推演，直至适應環境和實踐的需求，這就是戴建生心中的機器人學科。
讓結構智能跟上AI的腳步
此次獲得國際大獎的變胞足式機器人可以根據環境特征變換構态，以更好地适應不同典型地形，可應用于巡檢、野外偵察、外星探測。利用變胞足式機器人軀幹的可重構性，設計了自恢複、自折疊、過窄道、快速轉彎和越障步态等多種運動模式，提高了機器人運動的靈活性，豐富了運動方案的可選擇性。“我們很快将推出新一代變胞足式機器人，它的體積更大、結構更複雜，可以負載更多重物；我們也在積極研發微型的軟體機器人，可以在醫療領域有更多的應用落地。”戴建生說，随着人工智能的飛速發展，變胞機器人在應用領域大有可為。
目前，“人形機器人+”正被視為未來數字化、智能化背景下，人工智能應用的終極賽道。戴建生說：“人工智能是算法智能和邏輯智能，它怎麼和實體世界結合？需要結構智能來支撐。結構智能、算法智能二者合二為一，就因聚而生，變成了具身智能。這才是未來的發展方向。我們要做的，就是讓結構智能跟上算法智能的發展腳步，讓‘想到’變成‘做到’。”
在2023年國家自然科學基金評選中，由戴建生團隊牽頭的關注“機械設計、制造及服役中的科學問題（E05）”的重點項目獲批立項。該項目聚焦變胞機構高适應性設計與穩态變構國際難題，融入生物進化論原理，深入研究高适應變胞機構中力流演變規律與進化形态學對機構構形演變的影響，開發兩種高适應性具有變胞特性的智能結構進化機器人以适應航空狹窄腔體作業與航天空間抓捕任務。“這也是團隊下一步的任務和使命。”戴建生說。
機器人在大灣區大有可為
近日，深圳印發《關于加快發展新質生産力進一步推進戰略性新興産業叢集和未來産業高品質發展的實施方案》，其中明确提到推動智能機器人等未來産業5至10年内産業規模倍數級增長。面對時代賦予的機遇，戴建生表示，在粵港澳大灣區，機器人的相關科研和産業都大有可為。
粵港澳大灣區具有國際輻射力，對于國際人才具有吸引力。以我們南科大機器人研究院為例，研究院涵蓋了5個學院、11個系，這麼多不同領域的頂尖人才聚在一起，為了同一個目标燃燒激情、共同奮鬥，參與大灣區的建設，這是一種巨大的推動力。
他還特别提到了粵港澳大灣區突出的制造業優勢。“大灣區的機器人産業十分發達，我們和很多企業，包括很多頭部企業都有合作。使得我們最新的研究成果可以更快落地，這對于我們的研究十分重要。”來源：深圳商報