中国机器人的摇篮,带你“上天入地”

服务机器人
机器人大讲堂
《国科大》杂志
2019-10-27 · 12:00
[ 亿欧导读 ] 过去数十年,中国科学院沈阳自动化研究所创造了中国机器人事业发展史上的20多个“第一”。从这里诞生的机器人上可九天“揽月”,下可五洋“探宝”,也能攀援在高山深涧与悬崖峭壁间。
哈工大机器人,机器人,水下机器人,沈阳自动化所 图片来自“亿欧网”

一个人能到达的最远地方是哪里?

刘开周的答案是7062米下的大洋深处,在被公认为世界最深、最难征服的马里亚纳海沟。

而带他前往的是中国自行设计、自主集成研制的“蛟龙”号载人潜水器,该潜水器成功完成了世界上首次在7000米深度近海底的自动定向、定深、定高、定速和悬停定位等5种全自动航行控制功能。

这项成果,让国际水下机器人领域为之一振。

事实上,不只是水下机器人,过去数十年,中国科学院沈阳自动化研究所(简称“沈阳自动化所”)创造了中国机器人事业发展史上的20多个“第一”。从这里诞生的机器人上可九天“揽月”,下可五洋“探宝”,也能攀援在高山深涧与悬崖峭壁间。它们“代替”人们踏足环境险恶之地,协助人们完成未竟的梦想。

沈阳自动化所,被誉为“中国机器人的摇篮”。

1、“蛟龙”号的“大脑”

刘开周,沈阳自动化所研究员,是“蛟龙”号载人潜水器控制系统的开发者之一和潜航员,被中共中央、国务院授予“深潜英雄”称号。

读博士期间,刘开周师从中国工程院院士封锡盛,从事机器人半物理仿真平台和水下机器人控制系统的研究与开发工作。刘开周介绍,控制系统相当于载人潜水器的“大脑”,而半物理仿真平台是一套实时仿真系统,它本身就相当于一套虚拟的载人潜水器系统。

“我们的责任是,保障潜水器安全可靠运行,尽可能减少试航员远距离航行寻找目标的劳动强度。”刘开周说。

他们所开发的控制系统软件可以在半物理仿真平台进行调试和验证,通过验证后可直接下载到实际的载人潜水器控制系统中,这大大降低了载人潜水器的运行成本和相应的风险。同时还能对试航员进行全真培训,极大提高了试航员的操作水平和熟练程度。

刘开周表示,相对于一般在水下最多十几吨重的水下机器人而言,“蛟龙”号在水下可重达40多吨,“控制系统是一个新的挑战,比如海水密度、水下压缩、机械手操作等易受水流影响而多变,影响航行稳定和潜水器安全。”

为了克服"蛟龙"号参数时变、闭环系统各环节的不确定性问题,刘开周借鉴专家控制经验,研究了基于模糊原理的控制参数在线自动调整的控制策略,以及基于数论的数据处理方法,实现了"蛟龙"号在复杂海洋环境下高精度导航定位、航行控制、载人舱内综合信息显控、水面监控、黑匣子数据分析和控制系统测试等功能。

这些,使得“蛟龙”号在7000多米深渊中“乖乖听人指挥”,完成任务。

接手“蛟龙”号时,刘开周刚博士一年级。他坦承,起初还有些胆怯,“不敢接”。项目开始时,整个团队倾尽全力,对系统的每个细节锱铢必较。他们每天都在问自己:“可能会发生什么情况?还可能会发生什么情况?”

海试“10小时”的背后,是水试、湖试的“数年功”。刘开周说,水池实验也十分重要。在博士期间,他们下潜过60多次湖,80%的设计人员都下潜过,只有确认没问题了,才能下海,“实验室做出来的仿真算法跟真正在水里的情况几乎完全不一样,也许可以仿真一部分,但修正的任务才是最艰巨的。”

多年来,刘开周参与并一步步见证了“蛟龙”号从1000米、3000米、5000米到7000米的每一个里程碑。

在他看来,是使命感驱使着自己,一路向前——“在国家需要的时候,你在哪儿?你在干什么?做有准备的人,在国家真正需要你的时候,就不会出冷汗。”

2、海洋“幽灵”

2019年4月1日,中国南海,由沈阳自动化所完全自主研发、拥有自主知识产权的“海翼”号水下滑翔机顺利回收。它不负众望,再次创下新纪录:连续工作时间长达211天,续航观测距离3400多公里。

收到这一消息时,远在3000余公里之外的沈阳,沈阳自动化所研究员、海洋机器人卓越创新中心主任俞建成自豪又激动。

近年来,“海翼”号所向披靡,创造了一个又一个惊人的世界纪录:在马里亚纳海沟创下6329米的水下滑翔机世界深潜纪录、实现国内最大规模的水下滑翔机集群组网观测、首次在白令海布放的同时,也首次应用于中国北极科考……

作为“海翼”号水下滑翔机的设计师,俞建成十分清楚,16年来,“海翼”号取得光鲜成绩的背后,是团队成员朝乾夕惕的奋斗、日雕月琢的坚守。

2003年,俞建成刚考入沈阳自动化所攻读博士学位。在一次周六例行讨论会上,导师张艾群(时任沈阳自动化所水下机器人研究中心主任)推荐给他一份国外关于水下滑翔机的最新研究成果。阅读之后,俞建成对这一新事物产生了浓厚兴趣。那时已确定了博士课题方向的他,只是把水下滑翔机当成“业余爱好”。“当时这还是个很小的方向,那时国内包括所里关注的重点是AUV等传统典型的大型海洋装备式的水下机器人,我也没想到水下滑翔机能干点啥,也没想到能像今天这样‘热’。”

16年前,沈阳自动化所率先组建团队在该领域布局并开展探索。俞建成成功申请了研究所“知识创新工程蒋新松创新基金”,并获得了12万元的经费支持,他开始带着师弟们一起做水下滑翔机。

2005年,他们在国内率先研制出了“海翼”号水下滑翔机原理样机,并成功在湖里“动”了起来,解决了滑翔机运动与驱动机理、模块化结构、低阻外形优化等一系列关键技术,这是从无到有的突破。

事实上,当时在国际上,水下滑翔机因其能源利用效率高、噪音低,具有能开展大范围、长时间连续海洋环境观测的优势,已成为国际研究和竞争的热点。

2006年,水下滑翔机被列入国家高技术研究发展计划(863计划)项目申报指南中。此时,恰好博士毕业的俞建成在导师鼓励下申请其中一个项目并成功入选。“我很幸运,非常感谢我的导师,项目竞争非常激烈,竞争者都是研究员级别的,而我只是刚毕业的博士生,是导师极力坚持让我独立申请。”

就这样,俞建成与研究室两位职工正式组建团队。2009年,他们做出了国内第一个在海上实验并成功的水下滑翔机样机。尽管指标并不高,深度只有1200米,航程500米,但“第一个”的荣誉就已极其珍贵。

“当时海上条件还是蛮艰苦的。”俞建成对第一次海试的经历记忆犹新。2009年夏天,10人共同前往三亚,为了节约经费,他们在三亚租借了一艘小渔船。团队经历的第一个考验就是晕船,在海上颠簸了一晚上,还未到达海试地点,就已有人晕得无法下床。

“由于船很小,大家只能挤着在甲板上睡觉。10多天下来,晒得跟渔民一样了。我们还在海上养鸡养鸭作为食物来源。”再回首,在俞建成眼中,除了艰苦,更多的是难得的经历,以及大家相互扶持,攻坚克难、完成任务的幸福,“现在我们的条件好多了。”

2009年,他们成功研制出第一代“海翼”水下滑翔机工程样机并在千岛湖完成湖上实验,最大下潜深度为1200米。

团队的目标很清晰,大幅提升水下滑翔机海里的工作时间和航行里程,实现长期在海洋里面停留并完成一些工作。经过16年艰辛探索,“海翼”号水下滑翔机足迹遍布东海、南海、太平洋、印度洋、白令海峡。2018年,两台“海翼”号7000米级水下滑翔机完成了长达1448公里的马里亚纳海沟深渊测线观测,最大下潜深度达7076米,是目前世界上下潜深度超过7000米次数最多的滑翔机,也是世界上唯一一款能长时间连续稳定工作的深渊级滑翔机,同时顺利完成对海沟温度、盐度、水体特征等的探测作业。

“现在,水下滑翔机的技术已经很成熟了,但对于续航里程的要求是无止境的,长远目标是超过1年,这对海洋科学的影响将会是颠覆性的,或许那个时候我就可以退休了。”俞建成期待着愿景实现的那天。

“我们现在还在考虑它在水下待那么久,能干什么事,能解决什么问题。”俞建成说,他们正在与海洋科学家合作,解决海洋预报、海洋观测等难题;推动数据共享,以及拓展更多的应用场景,最大发挥水下滑翔机的应用价值。

3、机器人中的“特种兵”

电力巡检,一直被称为高危行业、特种作业。

我们常常在电视新闻中看到这样的画面:无论烈日炎炎,还是冰雪严寒,头戴安全帽、背负重达几十公斤检修设备的电力巡检工人总徒步翻越高山、穿越河谷丛林,日行十几公里,检修受损铁塔、巡护线路设施,清查电线周围障碍物,保障电力系统的正常运行。

“电力巡检工人太艰难了,南方有南方的苦,北方有北方的难。但电网作为国民经济的命脉,这个工作必须得干。”沈阳自动化所工艺装备与智能机器人研究室副主任王洪光谈及此时,感到“痛心”。

2001年,锦州超高压局向沈阳自动化研究所提出希望联合研制电力巡检机器人的需求,王洪光开始接触这一领域。然而,起初他们并不被看好,寻求支持时也吃过不少“闭门羹”。

电力专家质疑:“你们不懂电力环境的复杂、任务的艰难、要求的苛刻,你们做不出来。”同行专家也劝他们:“别做了,这个项目这么难,钱肯定都打水漂了。”

也许是“无知者无畏”,王洪光想着凭着已有的技术积累,针对需求做一些改装设计,应该也不会很难,他和团队把电力巡检机器人的项目担下了。然而,随着了解的深入,他发现事情远非想象的简单。但是既然做了,就要坚持下去,王洪光和团队用了3年获得质疑者的认可和信任,用了近20年的时间做出了产品。

“最难克服的是,如何让电力机器人在强电磁场环境下运行。”回顾过去,王洪光记忆犹新。他举了个例子,从低电位到500千伏的这一瞬间,如果电磁兼容没做好,机器人立刻就会被电得“五马分尸”,而机器人的电磁兼容防护需要特殊的技术手段,至今仍是难点。

不过,幸运的是,时至今日,经王洪光手的机器人还没有一台在巡检现场“死掉”。“我不敢让它‘死’呀。”王洪光直言,一台机器人少则几十万元,多则上百万元,“赔不起”。而更重要的是,机器人“死掉”有可能使得电力线路受损和人员受伤,而这是一定不能发生的。“一旦有危险,无论什么状态下都不能做实验。”

整机机器人虽然没有“死掉”,但单元模块测试实验时的“苦头”他们可没少吃。受强电磁场环境影响,“空中”的机器人与地面基站之间的通讯可能会中断,而负责通讯系统的是机器人机载控制器。“这相当于‘生命线’,若是通讯中断,就像断了线的风筝一样,你给机器人发指令,它不走,这时候真是没办法,只能干着急。”王洪光坦承,他们前几年都在解决这个问题,“那段时间是我们最痛苦的阶段。”

如今,王洪光团队研发的电力巡检机器人已经从简单的巡视跨向具备巡检作业功能。他们开发的AApe系列电力检测与维护机器人已应用在电网输电、变电及配电设施的运行检测与维护等工作中。电力巡检机器人从东北的原始森林走到西南的盆地、喀斯特地貌,现在开始在南方山地丘陵“大展拳脚”。

“值得骄傲的是,我国电力机器人的研究在国际上位居一流行列,在某些技术产品及其性能指标上处在国际领先位置。”近20年来的成果逐渐开始在世界占有一席之地,这让王洪光也越发充满信心,但也深感未来依然面临诸多挑战。

“沈阳自动化所作为科技国家队中的一员,一定要在国民经济主战场上发挥技术引领的作用;另一方面,我们期望最终能做出优秀的产品进行应用,推动产业化发展,这样才对得起这么多人力财力、时间和精力的投入。”王洪光说。

4、空间“使者”

还记得2017年12月26日3时44分这一特殊时刻吗?

在位于西昌凉山彝族自治州的西昌卫星发射中心,我国用长征二号丙运载火箭,成功将遥感三十号03组卫星发射升空,卫星进入预定轨道,发射任务获得圆满成功。

这个时刻,沈阳自动化所空间自动化技术研究室副主任刘金国一直记得,因为团队研制的“太阳电池阵及其展开系统”作为关键部件成功应用于该卫星,为我国多星组网式电磁环境探测及相关技术试验提供了重要支持。

该系统所应用的关键部件就是太阳翼。太阳翼是卫星的能量来源,卫星发射时太阳翼处于折叠状态,星箭分离后打开以及在卫星飞行过程中不断调整方向等都需要太阳翼来供能。此前发射的遥感三十号01和02组卫星上,该系统也被成功应用。

可以说,太阳翼的供能状况决定着卫星的“生死”。过去,这曾是中国科学院的一项“卡脖子”技术,“技术掌握在别人手中,人家要多少钱我们就得给多少钱。”刘金国说。

沈阳自动化所临危受命,刘金国和团队成员攻坚克难,用了不到两年的时间实现技术突破,为国家空间探索提供一系列先进的结构与机构。

2010年,沈阳自动化所空间自动化技术研究室应国家进行外太空、月球与其他星球科学探索需求而生,开展空间智能装备和相关技术的研究,聚焦三大领域:载人航天、国家月球与深空探测、卫星的机构与结构。

载人月球探测是目前各个航天大国关注的焦点。今年年初,国际学术期刊Environmental Toxicology 以封面论文的形式,邀请刊载了刘金国团队在载人月球探测预先研究领域的最新成果。研究人员利用模拟月尘,针对月尘对呼吸系统的毒性及其作用机制进行了深入研究。结果表明,吸入月尘可能会引起炎性肺纤维化病变,炎症和氧化应激是月尘引起肺损伤的重要因素。这将为航天员月尘毒性的防治提供重要依据和参考。

在刘金国看来,宇航员面临的“危险”不止如此。“我国载人航天每次只有3名宇航员,但科学实验非常多,而且诸如细胞切割、注射、转移等精密实验比较危险,宇航员一旦在操作中受伤,在太空中无法愈合,必须得返回地面。”刘金国希望所有的太空科学实验都应该实现机器人化。

在沈阳自动化所一楼展厅里最显眼的位置,安放着嫦娥三号月球车的原理样机,它基本模拟了国家所规定的月球车的质量、大小、外形和功能。其中,机械臂系统由沈阳自动化所设计与研制,这次研发为沈阳自动化所在月球与深空探测方面积累了一系列技术和经验。

今年年底前后,嫦娥五号月球探测器发射成功之际,将是这套机械臂系统闪亮登场、展现自我的时刻,届时,它会支撑探测器的“眼睛”,将月球“一览无遗”。

5、给机器人一双“慧眼”

微创手术,这种最大程度保护患者、减小创口的手术,却给外科医生提出了极高的要求。特别是传统的脊柱微创修复手术,因为创口极小,所以医生的视野也非常受限,几乎是“盲操作”。

要知道,脊柱周围神经密集,一旦损伤神经,后果不堪设想。在无法视物的情况下操作脊柱手术,就仿佛电影《偷天陷阱》里,凯瑟琳·泽塔琼斯蒙着眼睛穿越红外线交错的天罗地网。

目前,医生通常用X光来帮助自己透视脊柱内部结构。但X光会产生一定辐射,处于备孕、怀孕等特殊阶段的人都不适用。此外,X光只能记录手术中特定几个时刻的静态画面,不能实时提供变化的信息。

沈阳自动化所唐延东课题组研发的计算机视觉技术,可以帮助医生在整个手术过程中看清脊柱及周边的内部结构。在实验室中,甚至已经实现了脊柱手术的“遥操作”——外科名医不须亲临现场,就能凭借显示器上的实时图像操控机器人开展手术。

“有人说,我们的工作,就是给机器人安上一双眼睛。但这句话只对了一半,‘眼睛’后面,还连着一个‘大脑’呢!”唐延东说,“机器人‘看到’东西之后,接下来的感知、识别、判断、反馈,才是最重要的环节。”

给机器人一双慧眼——所谓“慧眼”,不正是讲究“眼脑”结合、“智能”支撑吗?

“我们工作的主要原理,是在摄像机成像的基础上,用计算机程序处理图像中所包含的信息,从而指导机器人做出准确的反应。”另一位研究计算机视觉的科研人员朱枫说,“严格来说,这并不是真正的视觉,但我们的目的达到了,那就是在特定场景下实现需要‘视觉’的特定功能。”

时光倒退到2016年10月19日,天宫二号空间实验室与神舟十一号载人飞船对接,航天员走进“天宫”,与里面的机械手臂协同完成了一系列在轨维修实验。钢筋铁骨的机械臂,一丝不苟地旋拧螺丝,灵巧地抓取飘浮在空中的小球——就仿佛心明眼亮的活物。

这就是朱枫团队凝心聚力研发的空间视觉技术,在“特定场景”下实现的“特定功能”。

6、让机器人“活”起来

机器是无机的、刚性的、固定的,生命是有机的、柔性的、生长的。“机器人”发展至今,虽然看起来具备了很多模拟生命活动的功能,但说到底,大多数仍然只是单纯的“机器”。

正如朱枫所说:“机器视觉的基础,仍然是机电系统和数据计算,与生物的视觉机制截然不同。”

难道有机世界和无机世界之间的“次元壁”,就真的无法突破吗?

沈阳自动化所机器人学研究室主任刘连庆笑了,在他的一台红外照相机里,“养”着一颗活生生的响尾蛇细胞。

响尾蛇的“脸”上,有一个面积仅有1平方毫米的颊窝,能通过蛋白质折叠和离子通道触发来感知红外线,从而觉察环境中0.001℃的温度变化。有了这个逆天神器,响尾蛇就能在完全的黑暗中,捕捉老鼠等温血动物。

与大自然的造化相比,人类发明的商用红外感知器件却笨重了许多,不仅需要大体积的冷却系统辅助,而且很难达到响尾蛇的感知精度和频谱宽度。

刘连庆决定把生命系统融合进机电系统。他和中科院成都生物研究所、上海药物研究所以及中国科学技术大学合作,把光敏感生物蛋白转入模式细胞,使其获得感光能力,然后把这颗细胞通过特殊技术植入红外相机的金属外壳下。

作为沈阳自动化所正在大力推进的学科方向之一——类生命机器人正在不断创造着新时代的神话。

今年刚刚博士毕业并已提前留所的张闯,是席宁和刘连庆两位研究员的学生。他的主攻方向是服务医疗领域的类生命微纳机器人。他把来源于人体的骨骼肌细胞和心肌细胞,与硅胶软体材料结合在一起,做成极小的纳米机器人。这类肌细胞的看家本领,就是把人体血液中的ATP化学能直接转化成机械能,为纳米医疗机器人提供动力。在身体看来,这些肌细胞都是“自己人”,因而不容易触发免疫反应。

张闯的师兄李密,则致力于用纳米机器人对战癌症。美罗华是治疗B细胞淋巴瘤的靶向特效药,但只能对一部分病人起效果。因淋巴癌病逝的著名主持人罗京,就不幸与这种药物无“缘”。

“这跟癌细胞表面的一种靶点有关。”李密说,“如果我们能在开展治疗之前,就派出纳米机器人先遣队,去检测一下靶点,预测这个病人能不能用美罗华,将是推动淋巴瘤精准医疗的重要一步。”

但是,研究药物与淋巴瘤细胞的相互作用,需要特殊的水凝胶微环境,而现有的水凝胶都不具备他们所需要的性质。李密向自然界中的捕虫植物茅膏菜偷师学艺,模拟出了茅膏菜黏液水凝胶。淋巴瘤在这种凝胶中,会形成一个三维球状体,乖乖等待纳米机器人前来“体检”。

正如刘连庆所说,仿生机制是当今机器人“进化”的一大推动力量。地球生命历经40亿年积淀下来的进化智慧,是机器人取之不尽的巨大宝库。这是一个伟大的时代,机器人正处于一个从“更像机器”到“更像生命体”跨越的历史阶段。让机器人“活”起来,是沈阳自动化所类生命机器人团队肩负的历史使命。

走在沈阳自动化所,就是走在一个机器人总动员的王国。如今的沈阳自动化所,早已不再仅仅是孕育新生的“摇篮”,而更像一所专业齐全、实力雄厚的“大学”,把机器人分门别类地培养成材,推向世界最前沿的竞技舞台。

在这些八仙过海、各显神通的机器人背后,是许许多多勤劳聪慧、有血有肉的沈阳自动化所科研人。他们精雕细琢时的姿态、头脑风暴时的神采,正完美推动着“人工”与“智能”碰撞出灿烂火花。


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