平凡里開拓的不凡路

小時候看科幻片，那神奇的機器人的形象至今記憶如新。我們都希望在某個時候，機器人也能夠擁有象人類一樣靈巧的手。如今，這個理想正在逐漸變成現(xiàn)實。變胞機構的發(fā)明，使機器人的手能夠自由完成各種復雜的工作。最近，本刊記者采訪了變胞機構理論的創(chuàng)始人，天津大學中英歐機構學與機器人學中心（SEMAR）主任戴建生教授。

戴建生教授長期從事機構學及機器人學研究工作，研究變胞機構和可重構機構的工作。他開辟了國際機構學和機器人學研究的新方向和新領域，在機構學及機器人學領域取得了豐碩的研究成果，對國際機構學和機器人學學術界產(chǎn)生了重要的影響和引領作用，享有很高的國際聲譽。

走進神奇的變胞世界

變胞機構是戴建生教授于1998年首次提出的，目前已成為機構學領域的研究熱點之一。1999年，戴建生教授與張啟先院士一起將變胞機構的研究引入中國。二人借鑒生物學中細胞組合，變形和再生的類似現(xiàn)象，將其中文名稱命名為“變胞機構”。經(jīng)過國內(nèi)外機構學者十余年的研究，變胞機構的研究取得了豐碩的成果，開辟了機構學研究的一個新方向——機構的可重構性，并衍伸到可重構機器人，變胞機構學成為了機構學的一個獨立分支，形成了變胞機構學的理論體系，變胞機構的實際應用也取得了初步成果。

什么是“變胞機構”呢？記者見到這樣一個的定義：在機構連續(xù)運行中，由有效桿件數(shù)目變化或運動副類型或其幾何關系變化引起的機構的拓撲變化，并導致機構活動度變化；在機構連續(xù)運行中，至少有一次活動度變化，并在活動度變化后，機構仍保持運行，這樣的機構稱為變胞機構。

見到這個定義，記者一頭的霧水。從字面上就看不懂其中的含義，更不要說弄清楚它的原理了。似乎早就預料到記者會迷惑不解，戴教授通俗地給我們做了解釋，所謂“變胞”機構或機器人，就像一部變形金剛。不同于傳統(tǒng)機構只具有單一功能，而是具有變換自由度與工作空間的特點，通過機構的不同組合與內(nèi)在關聯(lián)的變更得以“變形”，每一次“變形”都可以實現(xiàn)不同的功能，“原本需要多臺機器完成的工作可以集中在一臺機器上完成，能夠更好地適應不同工況需求，進而節(jié)約能源，節(jié)省制造時間；同時，采用可重構技術和理論，可以使機器人更加靈巧，以可重構機器人為基礎開發(fā)的服務機器人將可運用于醫(yī)療、家政、航天與生產(chǎn)裝備制造等廣泛領域。”

戴教授給我們現(xiàn)場演示了他們研制的變胞機械手的工作狀況。這已經(jīng)是戴教授研制的第四代機械手了，實現(xiàn)了仿人手的功能。最初的時候，他們研制出來的是二代機械手，只有三個手指，結構比較簡單。而第四代機械手就復雜得多了，基本上是仿人手了。當然，從二代到四代，這個過程充滿了艱辛，人手能夠輕而易舉完成的動作，機械手模仿起來，就需要大量的高科技手段給予支撐。戴教授帶領他的團隊，從二代機械手做起，歷經(jīng)了十年時間，才達到了現(xiàn)在四代機械手的水平。這些成果的取得，是天津大學和國王學院聯(lián)合的結果，因此，他們把機械手命名為“天王手”。這是一個非常有趣的名字，既表現(xiàn)了成果的出處，也暗示了它功能的強大。

戴教授領著記者來到了一個房間，這里安放著幾臺機械手臂的裝置，既有他們自己研制的，也有引進國外同行研制的機械手臂原型。

記者問道，“我們的機械手臂的研究，是建立在國外研究成果的基礎之上的嗎？”

戴教授說，變胞理論與國內(nèi)外同行研究是截然不同的思路。國內(nèi)外同行們主要研究的是手指的靈巧度，而戴教授的團隊在研究手指的同時也研究手掌的可活動性。我們研究的機械手由于手掌中心的這個機構環(huán)鏈，就會象人的手掌一樣，手掌與手指都能活動。這樣的結構，用在一些精細操作的用途上，它的強大功能就會顯示出來?？梢酝瓿蓜e的機械手無法完成的諸如捏、搓、轉動物體等高難度動作。

戴教授又興致勃勃地給我們演示了他們發(fā)明的變胞爬行機械人。變胞爬行機械人利用了變胞手的原理，增加了腰部的自由度，實現(xiàn)機械人在復雜環(huán)境下的自由行走。這個裝置可以用于災難現(xiàn)場，深入到廢墟當中進行檢測、搜索等工作，或者深入到狹窄的井下進行作業(yè)。將來還可以用在月球車上，實現(xiàn)月球上面復雜地形的自由行走。

折紙引發(fā)的思維革命

究竟是什么原因激發(fā)了戴教授的靈感，產(chǎn)生了這樣靈巧的構思呢？戴教授說，他開始這方面的研究，最早可以追溯到1996年，起源于應用多指手進行裝潢式禮品紙盒包裝的研究。那時候戴教授與聯(lián)合利華合作，搞化妝品包裝盒的自動化生產(chǎn)裝備的研發(fā)。戴教授就是這樣戲劇性地從折紙開始了他的變胞機構的研究。其實，要搞一個包裝盒的生產(chǎn)線是很容易的，但是，他思索的是從根本上解決企業(yè)生產(chǎn)面臨的新問題。

那么，企業(yè)生產(chǎn)面臨的是什么樣的新問題呢？戴教授指著一張圖片說，你們看這些巧克力包裝盒，很漂亮，但是幾個月以后，消費者的新鮮感就會減退，需要換新的包裝盒。這是新的時代市場的新變化。為了適應人的需求的個性化趨勢，生產(chǎn)也要朝著小批量、多品種的方向發(fā)展。傳統(tǒng)的大批量，無變化的生產(chǎn)線已經(jīng)無法適應，因為小批量地生產(chǎn)會導致模具與機器尺寸頻繁地更換，大大增加企業(yè)的成本。而手工生產(chǎn)又面臨著產(chǎn)量低、廢品率高等一系列問題。因此，建立一種適應現(xiàn)代生產(chǎn)特點的全新的自動化生產(chǎn)線勢在必行。

就是在這樣一個背景下，戴建生教授開始這方面的研究工作。他決定找出紙盒生產(chǎn)的最深層次的工作機理，能對完成類似的自動化生產(chǎn)有指導意義。

成功來自于百分之九十九的汗水加上一分的靈感。戴教授對這句話體會得最深刻。他在無數(shù)次地折紙盒的過程中，在不斷地重復拆開拼裝紙盒的動作中，偶然間頭腦里閃過一個念頭：能不能用數(shù)學的方式把它描述下來。他抓住了霎間閃過腦海的靈感，仿佛打開了一扇門，他的眼前豁然開朗。先設法用數(shù)學的方法描述這些包裝盒，把盒子的結構變成數(shù)學概念，然后再映射到各種機構，也就是說，通過盒子的概念出發(fā)再去研制出相應的機構。思路打開了，問題就已經(jīng)解決了一半，剩下的就是如何實現(xiàn)的問題與進一步完善的事情了解——他終于找到了通往成功的鑰匙。

1998年，戴教授第一次提出了變胞機構，那時候的他，還沒有意識到，自己開辟了機構學的一個新天地。

最早的研究成果是在球面五桿機構中的三個桿件上各安裝一個機械手指，這樣就開發(fā)出了第一代機械手，當然是很粗糙的。后來逐漸升級進化，從最早的可伸縮到拓撲，到后來的變胞和可重構。真正的突破來自于第二代機械手的研制成功。第二代機械手的手掌是一個環(huán)狀結構，這個結構設計為仿真手的研制打開了廣闊的空間。2005年，二代機械手的技術走向成熟，申請了專利。值得指出的是，這些成果的取得，是在資金投入很少的情況下取得的。戴教授不無遺憾地說，我們的很多的研究課題，對國家經(jīng)濟社會發(fā)展有著非常重大的意義，但是由于缺乏專項資金，致使研究進展緩慢。變胞機械手的課題，也只是由課題經(jīng)費在支撐，如果有專項資金的話，或者有企業(yè)參與，資金充足，我們的步子還可以邁得更快一些。我們呼吁相關部門加大對基礎工具、基礎科學研究的支持力度，只有這樣，企業(yè)的發(fā)展才能獲得科技進步的有力支撐，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級換代才能順利實現(xiàn)，國家經(jīng)濟發(fā)展方式調(diào)整才能順利完成。

戴教授為我們描繪了變胞機械手的美好前景，如果資金充足的話，利用兩到三年的時間，機械手的成品就會面世，可以先投放到各大學的相關研究單位，用作機械手的控制研究的平臺，專門研究開發(fā)機械手臂的各種動作的控制軟件。再過一兩年，就會實際應用到航天、醫(yī)療等精細操作的領域，或者應用到排險、排雷、救火、搶險、抗震救災、生產(chǎn)條件惡劣的工礦企業(yè)等危險的環(huán)境中去。然后再經(jīng)過幾年的發(fā)展，就可以研制成假肢手。現(xiàn)在航天工業(yè)已經(jīng)用到了一些機械臂，比如航天飛機、太空船上的操作臂已經(jīng)十分完善了。在此基礎上，可以加裝機械手，代替人完成更加復雜的操作。

一花引來百花開

變胞機構的實際應用價值在于可以用一條生產(chǎn)線完成以往多條生產(chǎn)線才能完成的工作。一臺機器被賦予了更多的功能，可以做多臺機器來用。正因為如此，變胞機構理論一經(jīng)提出，立刻顯示出強大的影響力，吸引了世界各國的科學家們參與其中。國內(nèi)外的學者，共同推動了這一新的理論的不斷完善與應用的領域的拓展，并開展了充分的學術交流。

2012年7月9日，由天津大學，倫敦大學國王學院，美國機械工程師學會（ASME），美國電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE），國際機構學和機器科學聯(lián)合會（IFToMM）以及國家自然科學基金委員會（NSFC）共同主辦的第二屆ASME/IFToMM可重構機構與機器人國際大會在天津天宇大酒店開幕，來自美國、英國、法國、德國、西班牙、意大利、日本、墨西哥、希臘和中國等15個國家和地區(qū)的140余位機構學與機器人學專家、中青年學者齊聚津門。這是繼戴教授2009的第一屆可重構機構與機器人國際大會后的又一次盛會。會議期間，10余名全球機構學與機器人學領軍人士，120余位來自斯坦福大學、約翰—霍普金斯大學、卡內(nèi)基—梅隆大學、帝國理工大學、清華大學、上海交通大學、哈爾濱工業(yè)大學、天津大學、大連理工大學等國內(nèi)外著名高校的機構學與機器人學專家參加相關主題論壇并聽取專題報告，交流各自研究的最新成果。戴教授長期不懈的研究，一絲不茍的精神使他贏得國際盛譽。除了2006年被授予英國機械工程院Fellow，2011年被授予美國機械工程師學會Fellow外，他在2012年被邀請作為第36屆ASME機構學與機器人學國際大會的大會主席。這是這一有60年歷史的國際大會序列中，首位由非美國人擔任的大會主席。

戴教授領著記者參觀了正組建中的國際中心，全名叫“中英歐機構學與機器人學研究中心”。經(jīng)過幾年的努力，現(xiàn)在已經(jīng)進入到實際操作的階段。吸引了多位來自國內(nèi)外的著名專家的訪問與加盟。他們當中，有在可重構機器人中可展機構基礎設計理論研究方面獲突出成果的“國家青年千人”，有來自意大利、美國等發(fā)達國家科研機構的領軍人物。戴教授說，現(xiàn)在，每年都有國外著名學者來這里交流，比如歐洲著名的學者，經(jīng)常來這里講課。講得很生動，很受學生歡迎。

積極的學術交流與合作有利于取得豐碩的成果。戴教授給我們介紹了最近研究進展情況。包括最新型號的變胞手，正在開展兩種用途的研究。一是用于牛肉加工處理，現(xiàn)在正在進行工廠試驗。另一個是極端環(huán)境下的應用，可以用于搶險救災和航天事業(yè)。

從這次訪問，我們期待著，戴教授帶領他的團隊，在機構學與機器人學及其應用領域取得更大的成就。