十年磨一劍， 要把機(jī)器人事業(yè)真正做下去

王小

在2021國(guó)際自主智能機(jī)器人大賽（以下簡(jiǎn)稱“機(jī)器人大賽”）的開幕式上，上海理工大學(xué)機(jī)器智能研究院執(zhí)行院長(zhǎng)、教授李清都作主旨報(bào)告。“機(jī)器人的終極形態(tài)是人形，行走是仿人機(jī)器人的基礎(chǔ)，續(xù)航能力、動(dòng)態(tài)性能、安全性、高成本是阻礙雙足機(jī)器人發(fā)展的世界難題?！遍_幕式上，長(zhǎng)期從事機(jī)器人動(dòng)態(tài)步行原理和方法的李清都給大家分享了仿人機(jī)器人的行走問題和他們團(tuán)隊(duì)的研究進(jìn)展。

一個(gè)“其貌不揚(yáng)”的機(jī)器人正抬起自己細(xì)細(xì)的大長(zhǎng)腿，邁著穩(wěn)健的步伐，在李清都和學(xué)生的“陪伴”下，一步一步往前走。原來，這是李清都帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制的“行者一號(hào)”機(jī)器人在進(jìn)行測(cè)試。

經(jīng)過不斷的調(diào)試，他們研制的“行者一號(hào)”成為全球能效最高、續(xù)航最遠(yuǎn)的機(jī)器人。它僅用0.8度電，就跑了54小時(shí)，34萬步，134千米，多項(xiàng)參數(shù)都大幅優(yōu)于當(dāng)時(shí)世界上最為先進(jìn)的美國(guó)康奈爾大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研制的“Ranger”機(jī)器人，獲得四足式機(jī)器人行走最遠(yuǎn)距離吉尼斯世界紀(jì)錄，并成為歷史上首個(gè)行走距離突破百公里的足式機(jī)器人。李清都幽默地說：“‘很遺憾’，截至目前，我們的‘行者一號(hào)’仍是這一世界紀(jì)錄的保持者。”

然而，這樣一項(xiàng)創(chuàng)造世界紀(jì)錄、引起國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注的研究，團(tuán)隊(duì)最初連一顆螺絲都沒有……

從一顆螺絲都沒有到創(chuàng)造吉尼斯世界紀(jì)錄

2011—2012年，李清都在康奈爾大學(xué)機(jī)械與航空學(xué)院從事應(yīng)用力學(xué)博士后研究工作。適時(shí)，康奈爾大學(xué)的一位教授研制出“Ranger”機(jī)器人，該機(jī)器人在中途不充電的情況下，持續(xù)行走了65千米，創(chuàng)造了一項(xiàng)世界紀(jì)錄。該教授的辦公室離李清都做研究的實(shí)驗(yàn)室并不遠(yuǎn)。但直到2013年李清都回國(guó)后，才看到“Ranger”機(jī)器人的相關(guān)報(bào)道。在報(bào)道下面，網(wǎng)友紛紛評(píng)論“中國(guó)的機(jī)器人怎么還沒出名”“中國(guó)科學(xué)家山寨都做不出來，真是悲劇”……這讓李清都產(chǎn)生了帶團(tuán)隊(duì)嘗試自主研制此種機(jī)器人的想法。

“你一顆螺絲都沒有，是不是逗我玩兒呢？”當(dāng)李清都找自己的研究生商量時(shí)，卻得到了這樣的回復(fù)。當(dāng)時(shí)，李清都在行走理論方面做了很多研究，在通信、電路、應(yīng)用力學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)方面有著扎實(shí)的基礎(chǔ)，但此前確實(shí)是從來沒有進(jìn)行過機(jī)器人的研制。而深厚的理論知識(shí)和多學(xué)科背景的支持讓李清都認(rèn)為他們應(yīng)該有機(jī)會(huì)做出一些突破性的成 果。

說干就干，他們開始建模、做仿真、做樣機(jī)，做了各種各樣的嘗試，一點(diǎn)點(diǎn)去驗(yàn)證。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)前沿動(dòng)態(tài)的了解和研究，他們吸取了很多經(jīng)驗(yàn)，推導(dǎo)出連續(xù)運(yùn)動(dòng)的方程，并建立了全新的T型髖關(guān)節(jié)模型。進(jìn)行仿真驗(yàn)證后，他們?cè)O(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的原理樣機(jī)，進(jìn)行調(diào)試。李清都說：“每一步都非常不容易，但在探索的過程中也收獲了很多，特別是第一次讓機(jī)器人動(dòng)起來時(shí)，他們非常興奮。”不論嚴(yán)寒酷暑，他們風(fēng)雨無阻地做了大量調(diào)試，不斷迭代，最終才有了打破紀(jì)錄的“行者一號(hào)”。

打破世界紀(jì)錄后，“行者一號(hào)”受到了國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注。“國(guó)內(nèi)報(bào)道有兩百萬條，海外報(bào)道可能也有上百萬條。很多節(jié)目都引述了我們研制的這個(gè)機(jī)器人，我感覺特別自豪?！边@也完成了李清都一開始的心 愿。

交織的驚喜、意外與感動(dòng)

對(duì)李清都來說，整個(gè)研究與調(diào)試的過程充滿了驚喜、意外與感動(dòng)。

學(xué)生給了李清都很大的驚喜，給了他很多啟發(fā)——當(dāng)時(shí)全新的髖關(guān)節(jié)模型就是李清都和學(xué)生在聊天的過程中討論出來的。機(jī)器人也比較“爭(zhēng)氣”，第一版機(jī)器人做出來之后，第一次在實(shí)驗(yàn)室走了6步，很快又在體育館走了幾十步。為了探索機(jī)器人在能效和續(xù)航上的邊界，團(tuán)隊(duì)有了大膽的想法。當(dāng)時(shí)，李清都笑著對(duì)學(xué)生說：“我們要把‘人民幣吃一遍’，走1千米的時(shí)候我請(qǐng)大家吃飯，2千米時(shí)再請(qǐng)大家吃飯，5千米、10千米、50千米、100千米時(shí)都吃一遍，我們的世界紀(jì)錄就出來了。”

當(dāng)然，試驗(yàn)與調(diào)試也并非一帆風(fēng)順，意外也常常發(fā)生。有一次，機(jī)器人已經(jīng)改了很多版，改后那版他們覺得做得特別好，他們就把所有監(jiān)控都擺好，興致勃勃地準(zhǔn)備做試驗(yàn)記錄。“結(jié)果，機(jī)器人剛走出沒幾步就突然摔倒了，電線短路，整個(gè)機(jī)器人就‘燒’掉了。”為了節(jié)約成本，最開始時(shí)，李清都他們都是在網(wǎng)絡(luò)上買二手電機(jī)，上一版機(jī)器人的電機(jī)如果沒壞，也會(huì)拆下來給下一版機(jī)器人用。

伴隨著意外的，有時(shí)候是滿滿的感動(dòng)。有一天下雨，室內(nèi)體育館屋頂漏雨，滴到地面上，正在調(diào)試的一個(gè)同學(xué)不小心摔了一跤，疼了六七天，一直都沒告訴李清都。他知道后特別感動(dòng)：“我們的學(xué)生，這個(gè)團(tuán)隊(duì)非常厲害，大家一起為了一個(gè)理想去努力、去堅(jiān)持?！崩钋宥紙F(tuán)隊(duì)中，人與人之間的感情在朝夕相處、共同奮斗中不斷加深，團(tuán)隊(duì)中有過分歧和爭(zhēng)吵，但最后又能繼續(xù)凝聚在一起?！皩?duì)參加此次機(jī)器人大賽的同學(xué)來說，這不僅是一次學(xué)習(xí)能力、動(dòng)手能力的鍛煉，也將會(huì)是一次難得的共同拼搏的回憶?！?/p>

意想不到的放松時(shí)刻

在大家的印象中，最后挑戰(zhàn)世界紀(jì)錄的時(shí)候，似乎應(yīng)該是最累、最緊張的時(shí)候。然而，出人意料的是，那個(gè)時(shí)候卻是李清都團(tuán)隊(duì)最放松的時(shí)候。當(dāng)時(shí)，他們團(tuán)隊(duì)在試驗(yàn)場(chǎng)地的角落放了一個(gè)電視，買來各種吃的，一邊吃東西，一邊看電視。只有“行者一號(hào)”“嚴(yán)陣以待”，在賽道上展現(xiàn)自己的實(shí)力。李清都回憶：“我印象非常深刻，當(dāng)時(shí)看的是《尋秦記》——一部比較早的穿越劇。大家在那里，其樂融融，氛圍特別好?！?/p>

致力于顛覆傳統(tǒng)，突破關(guān)鍵技術(shù)問題

目前，李清都團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行小貝人形機(jī)器人3.0的自主研制。理想的人形機(jī)器人應(yīng)該擁有纖細(xì)的腿部、優(yōu)美的軀干、優(yōu)雅節(jié)能的步態(tài)、持久續(xù)航的能力，并且安全性高、成本低、可進(jìn)入公共場(chǎng)所和家庭服務(wù)。然而現(xiàn)實(shí)中傳統(tǒng)的人形機(jī)器人卻是大腳、粗腿、上體笨重、腿彎不自然、能耗大、續(xù)航短、成本高，并且長(zhǎng)期滯留于科研、教育和表演，無法商用。

李清都介紹，小貝人形機(jī)器人經(jīng)歷了3次大的迭代，從2017年的小貝1.0，到2019年的小貝2.0，再到正在研制的小貝3.0，其性能在不斷提升，在多方面將逐步優(yōu)于傳統(tǒng)的機(jī)器人，比如重量20千克，僅為傳統(tǒng)機(jī)器人（與阿特拉斯機(jī)器人對(duì)比，下同）的1/4，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10小時(shí)，達(dá)到傳統(tǒng)機(jī)器人的10倍，而成本降到傳統(tǒng)機(jī)器人的1/50。

擁有完全自主產(chǎn)權(quán)的小貝人形機(jī)器人3.0將有三大突破。第一，在行走算法方面，其將具有較大優(yōu)勢(shì)。它走得穩(wěn)——抗干擾性強(qiáng)，而且走得美——步態(tài)優(yōu)美。第二，跨模態(tài)交互?？缒B(tài)交互將使其能夠多模態(tài)智能感知環(huán)境信息，達(dá)到安全性高、成本低的狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)能夠代替人進(jìn)行家政服務(wù)。第三，自主學(xué)習(xí)。李清都團(tuán)隊(duì)通過自主學(xué)習(xí)，使其達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)即時(shí)數(shù)據(jù)傳輸、在線模型訓(xùn)練和離線模型增強(qiáng)。

產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，要做能落地的研究

在李清都看來，要做成果能夠轉(zhuǎn)化、落地的研究才有意義?！霸诿绹?guó)、德國(guó)留學(xué)期間，我關(guān)注到科學(xué)家在做選題的時(shí)候，都是選一些真正有價(jià)值的科學(xué)問題，特別是應(yīng)用價(jià)值的問題。”當(dāng)李清都意識(shí)到這個(gè)問題之后，他就帶著他的團(tuán)隊(duì)去做成果轉(zhuǎn)化?！耙环矫?，理論要深挖;另一方面，成果必須落地。因?yàn)檫@樣能形成一個(gè)良性循環(huán)。目前，我國(guó)已經(jīng)在政策上給予了科技工作者這方面的支持。”

“行者一號(hào)”看起來結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只是一個(gè)用來打破紀(jì)錄的工具，好像沒什么用？其實(shí)，“行者一號(hào)”在落地走向家庭場(chǎng)景的應(yīng)用中充滿潛力。李清都團(tuán)隊(duì)基于“行者一號(hào)”研制出集助老、康復(fù)、陪伴于一體的足步機(jī)器人。“在一次展會(huì)上，一位缺乏鍛煉而肌肉萎縮的老太太忍不住扶著這個(gè)機(jī)器人走了一圈，輔助她運(yùn)動(dòng)，這位老太太當(dāng)時(shí)立馬就想掏錢把這個(gè)樣機(jī)買走?！崩钋宥伎吹阶约簣F(tuán)隊(duì)所研發(fā)的機(jī)器人能夠給老年人的生活帶來改觀、帶來便利。于是，后來他也給這個(gè)機(jī)器人做了相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)化工作，讓其能幫助更多的老年人。

李清都特別重視校企合作。他認(rèn)為，這對(duì)高校、對(duì)企業(yè)都是很好的思路，他們能幫助企業(yè)解決很多問題，而企業(yè)也能幫助他們將很多科研成果落地。

機(jī)器人大賽：培養(yǎng)興趣，激發(fā)創(chuàng)造力

愛因斯坦曾說，興趣是人類最好的老師。在李清都看來，人生最大的幸福就是做你感興趣的事，同時(shí)，這個(gè)事又能成為你的一個(gè)謀生手段。李清都大二就進(jìn)入了老師的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行科學(xué)探究。當(dāng)問及他當(dāng)時(shí)壓力是否很大時(shí)，他表示：“做研究一定是興趣驅(qū)動(dòng)，否則可能會(huì)非常痛苦。當(dāng)一件事變成興趣時(shí)，自然而然就愿意花時(shí)間去做。我對(duì)科研非常感興趣，就想去突破，在這個(gè)過程中也能收獲成就感。”

李清都小時(shí)候就喜歡動(dòng)手做手工、做小實(shí)驗(yàn)，對(duì)研究新鮮事物非常感興趣。他小時(shí)候經(jīng)常動(dòng)手做小船，還把收音機(jī)拆掉研究。李清都比較遺憾是青少年時(shí)期并沒有參加過機(jī)器人方面的比賽：“現(xiàn)在的學(xué)生如果參加這些比賽肯定能得到很大啟發(fā)，此次機(jī)器人大賽對(duì)培養(yǎng)青少年對(duì)機(jī)器人、人工智能等的興趣發(fā)揮著重要作用?！爆F(xiàn)在本科生、碩士生、博士生，他們的思維都處于非?；钴S的時(shí)期，李清都相信，這些學(xué)生通過此次機(jī)器人大賽快速掌握了一些知識(shí)、技術(shù)后，非常有機(jī)會(huì)提出更多創(chuàng)新的想法?！拔蚁嘈磐ㄟ^這個(gè)比賽（機(jī)器人大賽），逐步挖掘新的idea（想法），在開放環(huán)境下，將會(huì)對(duì)整個(gè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生較大的推動(dòng)作用?！?/p>

在多年的機(jī)器人的研制工作中，李清都始終提醒自己：不要想著彎道超車，彎道超車非常危險(xiǎn)。一定要靜下心來，秉承著十年磨一劍的精神、把冷板凳坐熱的精神，把機(jī)器人事業(yè)真正做下去，把卡脖子技術(shù)解決好。