石青：探秘仿生機(jī)器人的未來(lái)世界

倪海波

石青

機(jī)器人是什么？如果我們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)上搜索，會(huì)發(fā)現(xiàn)它是這樣被定義的：機(jī)器人是一種能夠半自主或全自主工作的智能機(jī)器，具有感知、決策、執(zhí)行等基本特征，可以輔助甚至替代人類完成危險(xiǎn)、繁重、復(fù)雜的工作，提高工作效率與質(zhì)量，服務(wù)人類生活，擴(kuò)大或延伸人的活動(dòng)及能力范圍。

在北京理工大學(xué)智能機(jī)器人研究所副所長(zhǎng)石青教授看來(lái)，傳統(tǒng)的機(jī)器人，主要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，用來(lái)控制機(jī)械電子系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)性能與真實(shí)生物相比靈活性較差。要進(jìn)一步提升仿生機(jī)器人的各項(xiàng)性能，可以考慮將數(shù)字控制信號(hào)改為生物模擬信號(hào)，即將生物和機(jī)器人系統(tǒng)有機(jī)融合在一起，用類似生物的控制信號(hào)來(lái)控制機(jī)器人本體，或者用生物驅(qū)動(dòng)的方式直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體，這就是未來(lái)的生機(jī)電融合仿生機(jī)器人，也正是他多年來(lái)開(kāi)展的研究工作。

求學(xué)之路 挫折之后迎轉(zhuǎn)折

石青從事機(jī)器人研發(fā)，可以說(shuō)是緣分使然，水到渠成。

時(shí)間追溯到2002年，北京理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院的黃強(qiáng)教授繼日本之后成功研發(fā)了仿人機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了仿人機(jī)器人獨(dú)立行走和太極拳等表演，使中國(guó)的仿人機(jī)器人研究跨入世界先進(jìn)行列。這一創(chuàng)舉被中央電視臺(tái)進(jìn)行了報(bào)道。彼時(shí)，石青恰好是北京理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院的大一新生，看到這則新聞，他心中的自豪感油然而生。從此，將來(lái)要研發(fā)機(jī)器人的夢(mèng)想在石青的心中逐漸萌發(fā)。等到了大三，石青有機(jī)會(huì)被保研的時(shí)候，他就毅然選擇了黃強(qiáng)作為他的研究生導(dǎo)師。從此，在黃強(qiáng)的帶領(lǐng)下，石青在機(jī)器人研究領(lǐng)域走得越來(lái)越遠(yuǎn)。

石青在北京理工大學(xué)是直博生，一般來(lái)說(shuō)，他會(huì)在北理工完成研究生學(xué)業(yè)，然后順利拿到博士學(xué)位，然而事情卻意外地發(fā)生了變化。當(dāng)時(shí)石青剛讀完博一，恰巧迎來(lái)了北京理工大學(xué)與日本千葉工業(yè)大學(xué)的交流學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，在這一契機(jī)之下，他被派出去在日本學(xué)習(xí)了一年半。這本來(lái)是一個(gè)極好的機(jī)會(huì)，可讓石青始料不及的是，這一年半讓他受盡了挫折，最終又迎來(lái)了轉(zhuǎn)折。

剛開(kāi)始去日本的時(shí)候，石青面臨的一個(gè)最大的問(wèn)題是語(yǔ)言不通，而且對(duì)日本的學(xué)習(xí)環(huán)境也不適應(yīng)。2007年前后，要買電子芯片，在北京可以騎自行車去中關(guān)村買，然而在日本都需要從網(wǎng)上購(gòu)買，由于語(yǔ)言問(wèn)題，很難查找到一款合適的芯片。比如說(shuō)電路板制作，在國(guó)內(nèi)有很專業(yè)的軟件，容易上手操作。但在日本高校，使用的卻是學(xué)術(shù)版軟件，而且大部分都是日語(yǔ)系統(tǒng)?！拔以趺炊加貌涣?xí)慣，沒(méi)法自制電路板，因此相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證難以開(kāi)展?！笔嗾f(shuō)，由于種種原因，他對(duì)日本的學(xué)習(xí)，包括他當(dāng)時(shí)的研究方向——機(jī)器人系統(tǒng)仿真都很抵觸，這種情緒持續(xù)了將近一年多。

就在石青的交流學(xué)習(xí)即將結(jié)束的時(shí)候，黃強(qiáng)教授有一次去日本出差，見(jiàn)到石青后就問(wèn)他對(duì)日本的情況了解得怎么樣?！爱?dāng)時(shí)我說(shuō)，我覺(jué)得我了解得不是特別好?！笔嗷貞?，當(dāng)時(shí)黃強(qiáng)就給他建議：在這種情況下無(wú)法在日本得到應(yīng)有的科研鍛煉，與沒(méi)出國(guó)沒(méi)什么兩樣，不如在日本讀個(gè)博士，換個(gè)地方好好鍛煉一下。后來(lái)，在黃強(qiáng)的推薦下，石青來(lái)到日本早稻田大學(xué)攻讀博士。博士畢業(yè)后，石青在日本又做了一年博士后研究，這才回到了母校北京理工大學(xué)。

2013年5月，石青又回到了他的導(dǎo)師黃強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)室。他覺(jué)得在國(guó)內(nèi)可以充分發(fā)揮自己所學(xué)，施展抱負(fù)，同時(shí)導(dǎo)師黃強(qiáng)當(dāng)時(shí)特別重視與日本的合作，他正好可以起到橋梁的作用。自此，他開(kāi)始基于這一科研平臺(tái)，開(kāi)展研究工作。

精中求精 結(jié)緣仿生機(jī)器鼠

在仿生機(jī)器人領(lǐng)域，石青的主要成就是研制出模仿實(shí)驗(yàn)鼠的智能微小型仿生機(jī)器人，機(jī)器鼠體形小巧、機(jī)動(dòng)靈活，是執(zhí)行狹窄空間探測(cè)的理想機(jī)器人形態(tài)，能進(jìn)入人無(wú)法到達(dá)的區(qū)域執(zhí)行特殊任務(wù)，應(yīng)用前景廣闊。

機(jī)器人行為仿生表達(dá)與自然交互動(dòng)物行為機(jī)理復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)求解困難，傳統(tǒng)的方法主要通過(guò)動(dòng)力學(xué)行為規(guī)劃來(lái)求解所有關(guān)節(jié)作用力，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)模式單一、機(jī)械，難以實(shí)現(xiàn)自然交互。為此，石青借鑒實(shí)驗(yàn)鼠所具備的自然、快速和靈巧特征，提出了行為仿生表達(dá)與自然交互方法，突破了微小型機(jī)器人多關(guān)節(jié)靈巧設(shè)計(jì)與系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)，研制出微小型靈巧仿生機(jī)器鼠；解決了微小型仿生機(jī)器人行為模式單一、運(yùn)動(dòng)機(jī)械的難題，以及傳統(tǒng)動(dòng)物模型不可控、實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)等難題，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)物行為和心理的自動(dòng)化評(píng)估及操控。

基于以上的創(chuàng)新成果，石青出版專著1部，受邀在國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議ICCSIP、IEEE ICRA Workshop等多次作特邀報(bào)告；研究成果被機(jī)器人領(lǐng)域國(guó)際權(quán)威J.Wiles教授引用，評(píng)價(jià)為“研制了國(guó)際領(lǐng)先（state-of-the-art）的機(jī)器鼠”。瑞士技術(shù)科學(xué)院院士F.Mondada教授在其論文里正面引用了石青的工作，指出他研制的“仿生機(jī)器鼠已經(jīng)成為實(shí)驗(yàn)鼠行為研究的一個(gè)常用工具”。

基于微納操作的仿生微感知與驅(qū)動(dòng)受尺度限制，仿生機(jī)器人的多元感知及微驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不易集成，現(xiàn)有研究主要從功能上模仿生物，形態(tài)和功能不能同時(shí)滿足要求。為此，石青從生物和機(jī)器人融合的角度出發(fā)，提出了機(jī)器人化的微納目標(biāo)三維精密操作方法，解決了仿生微感知與驅(qū)動(dòng)多元構(gòu)建與集成難題，為新型仿生機(jī)器人的構(gòu)建提供了新的途徑。

聚焦微納 深耕生機(jī)電融合

為了研制全新的仿生機(jī)器人，同時(shí)在中國(guó)科學(xué)院外籍院士、IEEE2020總主席福田敏男教授的大力支持下，石青也專注開(kāi)展基于微納生物操作的生機(jī)電融合研究?！熬褪窃谖⒓{尺寸的級(jí)別下，用操作器操作生物細(xì)胞，然后再組裝形成人工組織?！笔嘟忉尩?，這方面的研究主要有兩部分，一部分是肌肉組織，一部分是神經(jīng)信號(hào)。肌肉組織將來(lái)可以應(yīng)用到仿生機(jī)器人身上，作為其中的一個(gè)驅(qū)動(dòng)，即將生物驅(qū)動(dòng)和機(jī)電融合。

“我們做神經(jīng)接口，就是把機(jī)電和生物之間的接口串通起來(lái)，在電極上面培養(yǎng)神經(jīng)組織。電極一端接著機(jī)電，另外一端神經(jīng)組織接的就是生物了?！笔嗾f(shuō)，“我現(xiàn)在主要做的部分是基于微納操作形成這個(gè)組織，讓它跟機(jī)械電子結(jié)合在一起，做一些接口?！币坏┥窠?jīng)接通之后，將來(lái)假肢將不再是假肢，會(huì)變成人本體的一部分，作為人本體的延伸。這將不再是一個(gè)機(jī)電系統(tǒng)，而是一個(gè)真正的生機(jī)融合的東西。

生物機(jī)電融合，有一個(gè)翻譯過(guò)來(lái)的名字叫“類生命系統(tǒng)”，這是仿生機(jī)器人將來(lái)研究的一個(gè)趨勢(shì)。石青打算今后在這一方面繼續(xù)深入探索。

師生傳承 同探未知新世界

在石青求學(xué)的過(guò)程中，對(duì)他影響最大的除了黃強(qiáng)，還有他在日本學(xué)習(xí)時(shí)的副導(dǎo)師——石井裕之教授。他認(rèn)為，博士最主要的不是去學(xué)知識(shí)，而是要著重考慮方法論，即掌握如何解決問(wèn)題的思路及方法?！皠傞_(kāi)始我也不是很明白。后來(lái)我回國(guó)之后才慢慢明白其中的道理，尤其是在帶博士生的時(shí)候，讓我受益匪淺?！笔嗾f(shuō)。

對(duì)于本科階段的學(xué)生，石青認(rèn)為最主要的還是系統(tǒng)化的學(xué)習(xí)過(guò)程。當(dāng)前他所在的專業(yè)是機(jī)械電子工程，研究方向是機(jī)器人。根據(jù)多年的經(jīng)驗(yàn)，石青認(rèn)為研究機(jī)器人，可以從本科就開(kāi)始培養(yǎng)，大三便可以去設(shè)計(jì)具體的機(jī)械結(jié)構(gòu)，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后再做電路驅(qū)動(dòng)，然后再做整體的系統(tǒng)控制。這樣一套流程下來(lái)，學(xué)生特別有興趣，同時(shí)也非常有成就感。

事實(shí)證明，石青的這套培養(yǎng)方法是行之有效的。由他指導(dǎo)的學(xué)生成功獲得了2019年首屆全國(guó)大學(xué)生智能機(jī)電系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽一等獎(jiǎng)、第二屆中國(guó)研究生機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽一等獎(jiǎng)、第十一屆首都挑戰(zhàn)杯一等獎(jiǎng)等，而他本人也被評(píng)為師德先進(jìn)個(gè)人。

除了單純地傳道、授業(yè)、解惑，石青還非常關(guān)心學(xué)生的生活和身心健康。為了緩解學(xué)生的壓力，石青想到了一個(gè)小妙招：他制定了一個(gè)表格，學(xué)生按表所示打卡，每周做兩次運(yùn)動(dòng)。“如果沒(méi)有運(yùn)動(dòng)，現(xiàn)在就出去跑兩圈，有時(shí)候就以這樣的方式‘命令’他們出去運(yùn)動(dòng)?！笔嗾f(shuō)。在他看來(lái)，在學(xué)生階段，老師的正確引領(lǐng)十分重要。

現(xiàn)在，石青已經(jīng)逐漸組建起了自己的團(tuán)隊(duì)。團(tuán)隊(duì)里除他之外，還有一個(gè)年輕老師，一個(gè)博士后，近10個(gè)碩博研究生。在團(tuán)隊(duì)協(xié)作之下，石青做起研究來(lái)更得心應(yīng)手了。石青表示，以前做研究時(shí)受到的約束比較多，現(xiàn)在他想放開(kāi)手腳，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)去研究一些以前不敢做的事情，去探索一些未知的領(lǐng)域。