蘇學(xué)成放飛世界首只“機(jī)器人鳥”

讓動(dòng)物按照人的意圖行動(dòng)，可能嗎？這似乎是馴獸師的把戲，或者科幻小說里的情節(jié)。在山東科技大學(xué)機(jī)器人中心，蘇學(xué)成教授把普通家鴿變成了訓(xùn)練有素的“飛行員”。通過在鴿子腦中植入一個(gè)微電極裝置，自由翱翔的鴿子竟然“聽懂”了人的指令，精確地做出指定的動(dòng)作。

2007年春節(jié)剛過，一則世界上首例“機(jī)器人鳥”在山東科技大學(xué)誕生的消息吸引了媒體的廣泛關(guān)注。繼中央電視臺(tái)、新華網(wǎng)、《大眾日?qǐng)?bào)》、《齊魯晚報(bào)》等多家媒體報(bào)道之后，美聯(lián)社(AP)、英國(guó)路透社(Reuters)、美國(guó)有線新聞網(wǎng)(CNN)、今日美國(guó)(USＡ TODAY)、英國(guó)泰晤士報(bào)(The Times)等國(guó)外知名媒體紛紛轉(zhuǎn)載了這一消息。研制“機(jī)器人鳥”這一動(dòng)物機(jī)器人的帶頭人，就是被譽(yù)為“動(dòng)物機(jī)器人研究第一人”的山東科技大學(xué)機(jī)器人研究中心教授——蘇學(xué)成。

起步

剛剛過完70大壽的蘇學(xué)成教授，1964年畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化專業(yè)，分配至山東科技大學(xué)前身山東煤礦學(xué)院。那時(shí)，全院只有采煤、機(jī)電和經(jīng)濟(jì)3個(gè)系，1000多名學(xué)生。機(jī)電系就1個(gè)機(jī)電專業(yè)，他雖是學(xué)自動(dòng)化的，但只能教《普通電工》，基本上沒科研可搞。

1974年，一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)，系里派蘇學(xué)成以“項(xiàng)目帶教學(xué)”的名義，與工農(nóng)兵學(xué)員一起到礦上參加“大型提升機(jī)可控硅串級(jí)調(diào)速”項(xiàng)目，從此開始了他的科研生涯。當(dāng)時(shí)，已畢業(yè)10年的蘇學(xué)成在大學(xué)里所學(xué)的自動(dòng)化專業(yè)知識(shí)已忘得差不多了，但他鋪下身子，不恥下問，真誠(chéng)地向工人師傅、技術(shù)人員請(qǐng)教和向自己的學(xué)生學(xué)習(xí)。經(jīng)過努力自學(xué)，半年左右他就基本掌握了有關(guān)的知識(shí)和技術(shù)。之后整整3年多時(shí)間里，他與課題組師傅一起，邊干邊學(xué)，克服了種種困難，終于完成了平生第一個(gè)科研項(xiàng)目，并于1978年榮獲“山東省科學(xué)大會(huì)獎(jiǎng)”。

那段時(shí)間里，蘇學(xué)成教授吃了不少苦，作了不少難，長(zhǎng)期照顧不了家。但也正是這3年多的磨礪，使他不僅與礦上的領(lǐng)導(dǎo)、工人和技術(shù)人員結(jié)下了深厚的友誼，而且極大地鍛煉了自己的動(dòng)手能力，特別是練出了從事科研的膽識(shí)，為他后來從事機(jī)器人研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

成長(zhǎng)

上世紀(jì)80年代中期，全國(guó)科研熱情高漲。蘇學(xué)成根據(jù)自己來校后曾在井下“跟班勞動(dòng)”一年的體會(huì)，認(rèn)為煤礦井下工作繁重、環(huán)境惡劣，應(yīng)該是機(jī)器人的用武之地，于是油然而有了研究井下機(jī)器人的想法。但當(dāng)時(shí)的蘇學(xué)成對(duì)機(jī)器人只知點(diǎn)皮毛，雖然下了很大的工夫自學(xué)，但總感覺進(jìn)展太慢，效果很不理想。

為盡快掌握機(jī)器人的相關(guān)知識(shí)，蘇學(xué)成痛下決心將自己積蓄的科研經(jīng)費(fèi)集中起來，于1986年暑假邀請(qǐng)北京理工大學(xué)的3位專家來學(xué)校講課。經(jīng)過一個(gè)暑假的學(xué)習(xí)，專家們把他領(lǐng)入了機(jī)器人研究的大門。緊接著，蘇學(xué)成學(xué)以致用，與幾位志同道合的同事一道，開始投入到機(jī)器人的研制過程之中。

蘇學(xué)成研制的第一臺(tái)機(jī)器人是“噴漿機(jī)器人”。中國(guó)每年開挖煤礦巷道近千公里、大型隧道300余公里，還有地鐵、地下庫房等，工程量之大世界罕見。噴漿機(jī)器人/機(jī)械手是該類工程的關(guān)鍵設(shè)備之一，過去一直依賴進(jìn)口。鑒于此，蘇學(xué)成立志研究出中國(guó)自己的設(shè)備。經(jīng)過近兩年不懈的努力，蘇學(xué)成課題組申報(bào)的煤礦井下機(jī)器人項(xiàng)目終于在當(dāng)時(shí)的煤炭部獲準(zhǔn)立項(xiàng)，并在學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)的支持下獲得了寶貴的8萬元科研經(jīng)費(fèi)，課題組還被學(xué)校確立為“高新技術(shù)生長(zhǎng)點(diǎn)”。蘇學(xué)成的機(jī)器人研究生涯正式開始，并由此成為中國(guó)“地下工程機(jī)器人”科技領(lǐng)域的奠基人和開拓者。

他所研制的噴漿機(jī)器人重大創(chuàng)新點(diǎn)是：機(jī)械臂采用多重四連桿機(jī)構(gòu)，能方便保持噴槍與受噴面的相對(duì)姿態(tài)不變，只需極少操作動(dòng)作就能滿足噴漿工藝要求，易學(xué)又好用；機(jī)械臂多為結(jié)構(gòu)件，牢固耐用；將計(jì)算機(jī)加固技術(shù)與防爆技術(shù)巧妙結(jié)合，確保了電控系統(tǒng)的可靠性；控制系統(tǒng)采用主從遙控與示教再現(xiàn)相結(jié)合，適應(yīng)了各種作業(yè)狀態(tài)。

使噴漿機(jī)器人研發(fā)駛?cè)肟燔嚨赖氖菄?guó)家“863”計(jì)劃。1992～2000年的9年間，蘇學(xué)成教授的機(jī)器人課題組連續(xù)獲得4項(xiàng)國(guó)家“863”項(xiàng)目，其中1項(xiàng)為重大項(xiàng)目。經(jīng)過課題組全體成員連續(xù)10余年的努力，機(jī)器人研究終取正果：噴漿機(jī)器人在國(guó)內(nèi)首次形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的防爆型與非防爆型、大中小型系列產(chǎn)品，并在國(guó)內(nèi)推廣使用，結(jié)束了該設(shè)備依賴進(jìn)口的歷史。與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，其操作更簡(jiǎn)單，技術(shù)性能和使用效果均有明顯優(yōu)勢(shì)。系列噴漿機(jī)器人的成功研發(fā)，為地下工程機(jī)器人學(xué)奠定了基礎(chǔ)，用于多種礦山設(shè)備。2000年“大型噴漿機(jī)器人”被評(píng)為山東省十大科技成果榜首；“PJR系列噴漿機(jī)器人”被評(píng)為“2000年度煤炭工業(yè)十大科技成果”；2001年，榮獲山東省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)；2002年，獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，并受到了當(dāng)時(shí)黨和國(guó)家最高領(lǐng)導(dǎo)人的親切接見。

于是大型噴漿機(jī)器人在濟(jì)南繞城公路隧道、西安東秦嶺隧道、昆石高速公路隧道施工中推廣應(yīng)用，僅此一項(xiàng)，就為企業(yè)創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益近900萬元。目前，防爆型與非防爆型、大中小型噴漿機(jī)器人產(chǎn)品已在“山川機(jī)器人工程公司”實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。該公司于2001年成為“863機(jī)器人‘產(chǎn)業(yè)化基地’”，2003年通過ISO9000認(rèn)證。該產(chǎn)品已用于以國(guó)家重點(diǎn)工程為代表的地下工程，涵蓋了鐵路公路隧道、礦山、地下峒庫、水利涵洞等各工程領(lǐng)域。

此后，蘇學(xué)成一鼓作氣，與同事們還相繼研制出了“履帶蛇行機(jī)器人”、“帶電作業(yè)機(jī)器人”等。山東科技大學(xué)機(jī)器人研究中心也因此而成為國(guó)內(nèi)重要的機(jī)器人研發(fā)基地之一。

飛躍

能源問題一直是當(dāng)今世界機(jī)器人研究領(lǐng)域的“瓶頸”難題，機(jī)器人本身攜帶的能量與其體積成正比，小型機(jī)器人所攜帶的能源有限，這就制約了小型機(jī)器人的應(yīng)用范圍和研發(fā)空間。怎樣讓小型或微型機(jī)器人不受能源的制約，突破機(jī)器人能源的“瓶頸”呢？蘇學(xué)成教授把眼光轉(zhuǎn)向了動(dòng)物。

蘇教授在1997—1999年主持“四周履帶式蛇行機(jī)器人”時(shí)，發(fā)現(xiàn)制約微小型機(jī)器人研發(fā)有二大“瓶頸”：一是運(yùn)動(dòng)距離受限于自身攜帶能量的能力；二是“工作能力與智能”受限于自身尺寸、機(jī)構(gòu)和攜帶器件數(shù)量等。于是蘇教授想，若能用電信號(hào)控制活體動(dòng)物并使它按人的意志行動(dòng)，就可用動(dòng)物的體能來突破能源瓶頸；用動(dòng)物的本能(如視、聽、越障等)及攜帶更多器件的能力，來實(shí)現(xiàn)機(jī)電式機(jī)器人難以達(dá)到的高智能，而且還獨(dú)具隱蔽性。當(dāng)時(shí)，這在國(guó)際上還未見相關(guān)的研究報(bào)道。

1999年，蘇教授極具前瞻性地提出用動(dòng)物來替代機(jī)電機(jī)器人的研究。機(jī)器人動(dòng)物也稱“動(dòng)物機(jī)器人”，即用編碼電信號(hào)刺激動(dòng)物適當(dāng)神經(jīng)位點(diǎn)，來控制動(dòng)物的行為，把動(dòng)物變成由人制導(dǎo)的動(dòng)物。該研究是機(jī)器人學(xué)與腦科學(xué)相互交叉、融合的國(guó)際重大前沿課題。

2002年獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委5萬元的資金支持后，蘇學(xué)成教授將以前項(xiàng)目研究中節(jié)余出來的經(jīng)費(fèi)也投入到動(dòng)物機(jī)器人的研發(fā)之中。

在超過規(guī)定時(shí)間的一年又一個(gè)月后，中國(guó)首只“機(jī)器人鼠”終于在山東科技大學(xué)機(jī)器人研究中心誕生。經(jīng)過專家鑒定，“機(jī)器人鼠”達(dá)到國(guó)際先進(jìn)、國(guó)家領(lǐng)先水平。

“機(jī)器人鼠”通過安置在鼠身體上的微電極，由計(jì)算機(jī)給出指令刺激其神經(jīng)核團(tuán)，控制鼠的運(yùn)動(dòng)，從而使鼠能夠根據(jù)人的意志進(jìn)行活動(dòng)，成為“機(jī)器人鼠”。

然而“機(jī)器人鼠”由于鼠天生膽小，在實(shí)際應(yīng)中作用并不大。怎樣使動(dòng)物機(jī)器人有更大的活動(dòng)范圍和應(yīng)用空間呢？蘇學(xué)成苦苦思索著。突然，一只在天空中翱翔的鳥引起了他的極大興趣，“機(jī)器人鳥”這一概念像火花一樣在他的腦海中迸發(fā)。鳥飛行速度快，適應(yīng)性廣，貼近實(shí)際要求。最終，家鴿進(jìn)入了他的視野。有了“機(jī)器人鼠”的理論研究基礎(chǔ)，“機(jī)器人鳥”的研究就水到渠成了。經(jīng)過一年多的反復(fù)研究和實(shí)驗(yàn)，2006年底，世界首只“機(jī)器人鳥”終于在蘇學(xué)成教授所在的課題組誕生了。8根微電極被接入鴿子的腦中，用牙科石膏進(jìn)行固定，插上刺激發(fā)生器，原本四處飛翔的家鴿立即變成了受人控制的機(jī)器鳥。在計(jì)算機(jī)的控制下，鴿子可以按照人為的指示實(shí)現(xiàn)起飛、盤旋、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)等特定動(dòng)作?！皺C(jī)器人鳥”與“機(jī)器人鼠”相比應(yīng)用范圍更加廣泛，在搜救、探測(cè)、空中攝影、投遞以及許多人類無法到達(dá)區(qū)域的探查，甚至在國(guó)防安全方面都具有重大意義。

印象

眼前的蘇學(xué)成教授，身材高大，脊背微駝，外表不修邊幅。用課題組成員劉小峰博士的話說：“一看就是一個(gè)忠厚的長(zhǎng)者?！?/p>

對(duì)于自己的成就，蘇教授并不多談。他更愿意讓大眾多了解一些科學(xué)知識(shí)?！案K老師做科研，很快樂。最初這個(gè)課題組經(jīng)費(fèi)很緊張，蘇老師拿出他自己以前承擔(dān)國(guó)家863項(xiàng)目的結(jié)余，給這個(gè)課題小組公共使用。有問題，我也可以暢所欲言，開會(huì)的時(shí)候公然提出來，他都會(huì)樂呵呵地接受?！睓C(jī)器人鳥課題小組的另外幾位成員告訴記者?！疤K教授為人很執(zhí)著，機(jī)器人動(dòng)物這個(gè)課題，從1999年起他就開始申請(qǐng)，申請(qǐng)了4年都沒有成功，但他每年都不放棄。”“除了吃飯睡覺，他絕大部分時(shí)間都在實(shí)驗(yàn)室里，通常都在晚上10點(diǎn)之后回家?！薄安灰f科研報(bào)告了，就連打掃鴿籠這樣的臟活、累活，他也從來不支使別人，而是和大家一起去做?！?/p>

然而蘇教授自己卻說：“我沒覺得有什么不容易，20多年了一直這樣，已經(jīng)成習(xí)慣了，閑下來反而不習(xí)慣?！?/p>

蘇教授創(chuàng)建了山東科技大學(xué)機(jī)器人研究中心。中心擁有一幢配有生產(chǎn)車間的3500平方米專用實(shí)驗(yàn)樓，在編教師21人，儀器設(shè)備1170余萬元。中心已成為國(guó)內(nèi)主要機(jī)器人研發(fā)基地之一，1999年成為“山東省機(jī)器人工程技術(shù)研究中心”；2001年成為863機(jī)器人“產(chǎn)業(yè)化基地”、863“先進(jìn)集體”；2002年成為“山東省重點(diǎn)強(qiáng)化建設(shè)實(shí)驗(yàn)室”。2004年學(xué)校遷青島后，又成為“市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”；2006年，以該中心為基礎(chǔ)，成為“教育部工程研究中心”。他領(lǐng)導(dǎo)的機(jī)器人中心被審定為863機(jī)器人“產(chǎn)業(yè)化基地”， 是國(guó)內(nèi)特種機(jī)器人的主要研發(fā)單位之一，在“863”15周年時(shí)被授予“先進(jìn)集體”稱號(hào)。

40多年的科研生涯，累累科研成果，并沒有使古稀之年的蘇學(xué)成教授停止科研的步伐。如今，山東科技大學(xué)的機(jī)器人研究室已從當(dāng)初的一間陋室發(fā)展為一棟研究大樓。在3樓的一間辦公室內(nèi)，每晚的燈光一直亮到整棟樓最后一個(gè)熄燈，蘇學(xué)成教授仍在苦苦思索著未來的機(jī)器人。

“人是要有點(diǎn)精神的，有了這個(gè)精神，就會(huì)認(rèn)真、執(zhí)著，就能吃苦、吃虧?！边@是他留給記者印象最深的一句話。

Su Xuecheng:

Letting the First “Robot Bird” Fly

Is it possible to let animals act according to people’s requirement? It seems like the tricks of the animal trainers or the plots of the science fictions. In Robot Center of Shandong University of Science and Technology， Professor Su Xuecheng trained the common pigeons as the “pilots”. By putting a microelectrode device into the brain of the pigeon， the pigeon can understand the orders and make the appointed motion exactly.

After the Spring Festival of 2007， the first “Robot Bird” was born in Shandong University of Science and Technology， which attracted huge international media interest. After CCTV， Xinhua Net， Dazhong Daily and Qilu Evening News， many foreign media such as AP， Reuters， CNN， USA Today and The Times all reproduced this information. Su Xuecheng， professor of Robot Center of Shandong University of Science and Technology， was called the “First Person Researching on Animal Robots”.

“Shotcrete Robot” is the first robot created by Su Xuecheng. Every year， nearly 1，000 kilometers of coal mine tunnels， over 300 kilometers of large-scale tunnels， and the subways and underground storehouses are dug in China. Shotcrete Robot is one of the key equipments of this kind of projects. In the past， the equipments were dependent on import. Therefore， Su Xuecheng aimed to create China’s own equipments. Through two years of efforts， the project of underground robot for coal mine declared by Su Xuecheng and his partners was approved by Coal Department. They also got 80，000 yuan scientific research funds under the support of the leaders of the university.

In 1999， professor Su put forward the research on using animals instead of electro-mechanical robots. Exceeding the stipulated time of one year and a month， the first “Robot Rat” of China was born in Robot Center of Shandong University of Science and Technology. According to some experts， this “Robot Rat” reached the advanced level in the world.

On the basis of “Robot Rat”， and after more than one year of research and experiences， in the end of 2006， the world first “Robot Bird” was born. Eight microelectrodes were put into the brain of the pigeon and fixed with dental plaster. After the stimulation generator was fit， the pigeon immediately changed into a machine bird which can be controlled by people.

Controlled by the computers， the pigeons can perform the required acts of takeoff， hovering， tuning left， tuning right， and flying forward. “Robot Bird” is of great significance in searching and rescuing， detecting， air photography and delivery， even in national defense security.