張進(jìn)華： 探尋“以柔克剛”的軟體機(jī)器人之謎

從1959年第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人誕生以來，科學(xué)家就一直癡迷于機(jī)器人的設(shè)計(jì)與幻想。不過，機(jī)器人的出現(xiàn)是為了協(xié)助或替代人類進(jìn)行更好的工作，現(xiàn)在大多數(shù)的機(jī)器人仍然是硬邦邦的“硬漢”。對于機(jī)器人來說，“硬”還是“軟”的選擇是近年來才出現(xiàn)的一個(gè)問題。人類正在不斷擴(kuò)展自己的想象力和創(chuàng)造力，開發(fā)出軟萌如“大白”的機(jī)器人，這種利用柔性材料來制作的機(jī)器人，被稱為軟體機(jī)器人。

當(dāng)前，這一研究正在學(xué)術(shù)界如火如荼地進(jìn)行著，西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授張進(jìn)華正在努力開發(fā)一種高性能的軟體機(jī)器人，希望能在醫(yī)學(xué)、軍事、探測、工業(yè)等領(lǐng)域得到更多的應(yīng)用。他說：“目前，軟體機(jī)器人的發(fā)展還不能完全替代剛性機(jī)器人，剛?cè)岵?jì)、軟硬兼?zhèn)湟苍S是機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)重要方向。兩者缺一不可，我們還要繼續(xù)努力?！?/p>

最好的安排：

選擇機(jī)械

張進(jìn)華高考的那一年，恰逢西安交通大學(xué)100周年校慶，鋪天蓋地的校慶宣傳活動(dòng)，讓遠(yuǎn)在山東的他知道了西北有一所歷史悠久、底蘊(yùn)深厚的百年名校。而西安交通大學(xué)的機(jī)械工程學(xué)科更是在全國名列前茅，于是張進(jìn)華幾乎沒有猶豫地選擇了它?！拔页錾碛谵r(nóng)村，本來是想本科畢業(yè)之后直接工作的?！睆堖M(jìn)華坦言人生總是會(huì)有很多的意外，成績優(yōu)秀的他在本科畢業(yè)時(shí)順利保研。讀研之后，張進(jìn)華對科研的興趣越發(fā)強(qiáng)烈，他憑借碩士期間的優(yōu)秀成績留校工作。

“留校之后，每天忙著科研和教學(xué)的同時(shí)深刻意識到攻讀博士學(xué)位的重要性?！蔽靼步煌ù髮W(xué)良好的學(xué)科氛圍和身邊老師給予的幫助讓張進(jìn)華選擇在本校在職讀博?！笆畮啄甑臅r(shí)間轉(zhuǎn)瞬即逝，西交大就和我的家一樣，我對學(xué)校有依賴感，想繼續(xù)留在這兒工作?！辈┦慨厴I(yè)后，已為科研工作做好知識儲(chǔ)備的張進(jìn)華正式在母校開始了新興與傳統(tǒng)不斷碰撞的科研道路。

未來的福音：康復(fù)軟體手

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2016年全球新增中風(fēng)病人1370萬，僅中國就占了40%，其中大部分人在病發(fā)后失去了手部功能。傳統(tǒng)的治療手段主要依靠康復(fù)醫(yī)師輔助患者進(jìn)行關(guān)節(jié)活動(dòng)和肌力訓(xùn)練，但其訓(xùn)練效果受醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)和業(yè)務(wù)水平及訓(xùn)練時(shí)間等因素的影響。因此有很多研究者研發(fā)了相關(guān)的康復(fù)機(jī)器人輔助患者訓(xùn)練以重新獲取肢體的運(yùn)動(dòng)機(jī)能。

“康復(fù)師在康復(fù)過程中會(huì)和病人進(jìn)行交流，來激發(fā)病人的主動(dòng)康復(fù)意識，但是目前的機(jī)器人還做不到人機(jī)交互?！睆堖M(jìn)華說，面對這種情況，科研人員提出了一種叫“腦機(jī)接口”的解決方案：人體正常的神經(jīng)通路，是從大腦發(fā)出一個(gè)神經(jīng)信號之后，通過神經(jīng)元傳到肌肉帶動(dòng)骨骼進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，但是病人中風(fēng)之后神經(jīng)信號無法傳導(dǎo)到肌肉，所以從外部接一個(gè)通路，如戴腦電帽，把病人的腦電信號提取出來，判斷病人的運(yùn)動(dòng)意圖，再轉(zhuǎn)化為機(jī)器人的命令。“這樣的解決辦法有兩個(gè)好處：一是讓病人有主動(dòng)的運(yùn)動(dòng)意愿，達(dá)到主動(dòng)康復(fù)的效果;二是中風(fēng)的病人更多的是肢體不能運(yùn)動(dòng)，通過識別病人主動(dòng)的肢體運(yùn)動(dòng)意圖，然后控制機(jī)器人輔助患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，達(dá)到主被動(dòng)結(jié)合的康復(fù)效果。”

張進(jìn)華將腦機(jī)接口康復(fù)技術(shù)的原理與軟體技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，以此開發(fā)出康復(fù)軟體機(jī)器人。目前在市場上，輔助康復(fù)的剛性機(jī)器人比較多，但是剛性機(jī)器人力量比較大，碰上中風(fēng)病人痙攣的時(shí)候，可能對病人造成損傷。而軟體機(jī)器人雖然力量較小，但是依然能夠帶動(dòng)病人的胳膊或者手去運(yùn)動(dòng)，即使病人出現(xiàn)痙攣的情況，由于它本身是軟性材料，也不會(huì)對病人造成傷害。

張進(jìn)華和團(tuán)隊(duì)已成功研制出基于正負(fù)氣壓驅(qū)動(dòng)的軟體康復(fù)手。這一氣動(dòng)軟體康復(fù)手僅有149克，采用開放式手套，通過欠驅(qū)動(dòng)可以輔助手指實(shí)現(xiàn)伸展或屈曲運(yùn)動(dòng)和拇指的內(nèi)收或外展運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)訓(xùn)練?！拔覀兒偷谒能娽t(yī)大學(xué)、北京清華長庚醫(yī)院的康復(fù)科都有交流，通過了解他們康復(fù)科的需求，進(jìn)一步完善我們的軟體康復(fù)手?！睆堖M(jìn)華說。

將軟體技術(shù)應(yīng)用于腦機(jī)接口康復(fù)技術(shù)，打破了康復(fù)機(jī)器人都是剛性機(jī)器人的傳統(tǒng)思路，軟體機(jī)器人可以充分利用其自身的柔順性、非線性、粘彈性和遲滯特性，降低控制的復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)高靈活性、強(qiáng)適應(yīng)性和良好交互性，未來在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域有重要應(yīng)用價(jià)值。“未來老齡化社會(huì)，中風(fēng)的人會(huì)越來越多，術(shù)后康復(fù)市場也有大的需求，但是康復(fù)機(jī)構(gòu)數(shù)量少、規(guī)模小，成本也比較高?！睆堖M(jìn)華說，軟體康復(fù)手主要是面對個(gè)人，體積較輕、成本低廉、控制精度高、穿戴舒適、安全便攜，能夠適應(yīng)不同治療階段的需求，完成基本的康復(fù)動(dòng)作，提高患者的康復(fù)效率。在中風(fēng)病人度過危險(xiǎn)期后，患者可以借助軟體康復(fù)手在家進(jìn)行自我康復(fù)，減輕康復(fù)訓(xùn)練成本。用“溫暖”的軟體康復(fù)手替代以往“冷酷”的剛性康復(fù)機(jī)器人，既節(jié)約了成本，又能給患者帶去更多的人性關(guān)懷。

以柔克剛：軟體仿生

除了研究康復(fù)機(jī)器人，軟體機(jī)器人研究領(lǐng)域最前沿的研究方向之一就是軟體仿生機(jī)器人。一次偶然的學(xué)術(shù)交流，讓張進(jìn)華注意到了軟體仿生機(jī)器人這一新興的研究領(lǐng)域。他在與香港中文大學(xué)王煜教授交流的過程中，聊到毛毛蟲的仿生結(jié)構(gòu)時(shí)突然有了靈感。

張進(jìn)華發(fā)現(xiàn)了一種叫尺蠖的無脊椎動(dòng)物，長得和毛毛蟲類似。尺蠖的身體可以彎曲、扭曲、褶皺，同時(shí)能夠利用動(dòng)態(tài)靜水力學(xué)改變身體張力實(shí)現(xiàn)身體懸臂，通過肌肉的收縮和腹足的配合實(shí)現(xiàn)爬行，可在粗糙的樹干、樹葉、地面、草地上等復(fù)雜環(huán)境里完成靈活的運(yùn)動(dòng)，并且在爬行過程中，可以使其接觸環(huán)境保持穩(wěn)定不晃動(dòng)，保障了其運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和安全性，同時(shí)還具有撲食獵物的本領(lǐng)。因此，在張進(jìn)華看來尺蠖是一種非常理想的軟體機(jī)器人仿生對象。

“尺蠖的運(yùn)動(dòng)雖然很復(fù)雜，但是尺蠖的神經(jīng)卻非常簡單，它采用柔性靜水骨骼代替了脊椎動(dòng)物體內(nèi)的剛性骨骼組織，并利用肌肉的生物智能，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的高自由度的空間運(yùn)動(dòng)，大大促進(jìn)了其運(yùn)動(dòng)的多樣性?！币虼?，張進(jìn)華想借鑒尺蠖的神經(jīng)控制機(jī)理，為軟體機(jī)器人的控制提供新的途徑。根據(jù)以上的研究發(fā)現(xiàn)，張進(jìn)華申請到了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目——“基于尺蠖肌肉生物智能的軟體機(jī)器人自適應(yīng)低維控制研究”。

除此之外，張進(jìn)華還主持了關(guān)于仿生魚的國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃培育項(xiàng)目——“軟體波動(dòng)推進(jìn)機(jī)器人復(fù)雜形態(tài)計(jì)算與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究”和國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目——“基于柔性被動(dòng)自由度感知增強(qiáng)的仿蝠鲼機(jī)器魚協(xié)調(diào)控制研究”。在這兩個(gè)項(xiàng)目中，他研究的對象是海洋中的軟骨魚類，其中蝠鲼和魟魚憑借其獨(dú)特的身體結(jié)構(gòu)和高效的運(yùn)動(dòng)能力，已成為水下自主式航行器的主要仿生對象。703BF590-C796-4438-808F-FBA4B9A1BD22

蝠鲼和魟魚身體扁平，柔軟的胸鰭分布于身體兩側(cè)。在游動(dòng)過程中，通過兩側(cè)胸鰭有節(jié)律的拍動(dòng)或波動(dòng)變形推動(dòng)身體運(yùn)動(dòng)，可完成巡游、轉(zhuǎn)彎、起、停以及姿態(tài)保持的游動(dòng)推進(jìn)動(dòng)作，有著高游動(dòng)效率和高速轉(zhuǎn)向的能力。在張進(jìn)華看來，如果尺蠖可以看作一個(gè)一維的梁單元，那么蝠鲼和魟魚則屬于一個(gè)二維的軟體單元。因?yàn)轵瘀骱汪勽~都是具有無限自由度的連續(xù)體，它們通過自己的主動(dòng)或者被動(dòng)變形與周圍環(huán)境相互作用，從而完成自身的運(yùn)動(dòng)需求，充分發(fā)揮它們的形態(tài)學(xué)計(jì)算（Morphological?Computation）能力。

張進(jìn)華首先從仿生的角度了解到生物主動(dòng)變形和被動(dòng)變形的幾何層面的“形”，再進(jìn)一步了解到生物的剛度分布與主動(dòng)變化的物理層面的“態(tài)”，最終通過幾何和物理層面的“形-態(tài)”深度仿生為軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)提供新的思路。

探索不息：傳統(tǒng)軸承

在進(jìn)行軟體機(jī)器人仿生研究的同時(shí)，張進(jìn)華也對傳統(tǒng)滾動(dòng)軸承技術(shù)有深度的研究。新興的軟體機(jī)器人、人機(jī)交互研究和傳統(tǒng)的滾動(dòng)軸承技術(shù)研究盡管看上去風(fēng)馬牛不相及，但在張進(jìn)華眼中卻是一脈相承。

從外形上看，軟體機(jī)器人和滾動(dòng)的軸承技術(shù)并沒有什么關(guān)聯(lián)。但是張進(jìn)華從內(nèi)部建模入手，發(fā)現(xiàn)滾動(dòng)軸承是一個(gè)典型的多體動(dòng)力學(xué)模型，多個(gè)組件一起運(yùn)動(dòng)。而尺蠖也是利用很多肌肉進(jìn)行分布式驅(qū)動(dòng)，是一個(gè)偏柔性的多體動(dòng)力學(xué)模型，在機(jī)理上有相通的地方。

“這兩年國家的高鐵建設(shè)發(fā)展很快，高鐵列車的核心技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)完全自主化生產(chǎn)，但關(guān)鍵零部件如高鐵軸承還是需要依靠進(jìn)口?！眹覍﹃P(guān)鍵軸承技術(shù)的迫切需求，是張進(jìn)華及其團(tuán)隊(duì)一直致力于軸承技術(shù)理論分析和研究的主要原因。

在軸承研究上，張進(jìn)華遭遇了不少挫折。他發(fā)現(xiàn)，滾動(dòng)軸承內(nèi)部空間非常狹小，現(xiàn)有的測量手段很難在線測試其內(nèi)部的狀態(tài)。其次由于滾動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，它的各種摩擦力和接觸狀態(tài)也十分復(fù)雜，建模計(jì)算時(shí)有很多系數(shù)需要進(jìn)行選擇，但到底應(yīng)該怎么選，目前只能通過經(jīng)驗(yàn)來選，這些系數(shù)背后的機(jī)理卻難以厘清?！斑@可能是當(dāng)時(shí)對我來說最大的挫折了?！睆堖M(jìn)華意識到書本上的理論雖然說得頭頭是道，但是對現(xiàn)實(shí)中如何指導(dǎo)軸承的設(shè)計(jì)還存在不小的差距。

“我們不知道的事情實(shí)在是太多了，這也是我堅(jiān)持做軸承的一個(gè)原因。”目前張進(jìn)華的同事在做的工作是通過紅外線或者激光的方式，使用特殊材料，放到軸承內(nèi)部，當(dāng)其溫度發(fā)生變化的時(shí)候，激光的波長就會(huì)發(fā)生改變，這種非接觸的測量方式可以為他們揭示軸承內(nèi)部溫度的變化。張進(jìn)華還表示，下一步想嘗試用超聲波的方式來檢測軸承內(nèi)部潤滑油的變化，他們?nèi)匀辉谔剿鞯穆飞稀?/p>

最大的挑戰(zhàn)：堅(jiān)持最難

作為一名科研工作者，張進(jìn)華的生活總是和科研分不開。雖然工作忙碌，但是大學(xué)相對彈性的工作時(shí)間讓他能更有針對性地處理家庭和工作上的事情。忙碌的工作之余，張進(jìn)華最愛去籃球場上揮灑汗水，“打籃球是上大學(xué)之后唯一一個(gè)堅(jiān)持下來的運(yùn)動(dòng)，以后也要繼續(xù)堅(jiān)持下去”。張進(jìn)華覺得運(yùn)動(dòng)是非常重要的事情，在球場上的時(shí)刻，他不用考慮生活和科研的事情，只是純粹地去運(yùn)動(dòng)，在出過一身汗后，釋放掉一些多余的壓力。

十余年的科研經(jīng)歷讓張進(jìn)華知道，前行的道路上總能遇到無法預(yù)知的難題，最困難的不是遇到解決不了的難題，而是遇到難題之后能不能堅(jiān)持下去，堅(jiān)持之后能不能找到解決辦法，這才是最大的挑戰(zhàn)?！氨热缥覀儸F(xiàn)在做軟體，智能材料、驅(qū)動(dòng)材料是制約其發(fā)展的最大問題?！避涹w仿生用到的硅膠材料和生物原本的材質(zhì)相差很大，如何解決呢？張進(jìn)華說他們通過改變硅膠材料的結(jié)構(gòu)，模擬生物肌肉的特性，盡可能地做到相似，再設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測試，通過相關(guān)的研究結(jié)果再進(jìn)行不斷的改進(jìn)。

張進(jìn)華自嘲自己有點(diǎn)“受虐”體質(zhì)，很多時(shí)候他不希望研究一步到位，而是希望能夠在研究過程中遇到新問題，這樣更能激發(fā)他的科研興趣。“只有發(fā)現(xiàn)新的問題才會(huì)激勵(lì)你不停地去學(xué)習(xí)?！闭窃诮鉀Q新問題的過程中帶來的愉悅感和成就感，促使張進(jìn)華在科研道路上不斷往前邁進(jìn)。

對未來，張進(jìn)華有著非常清晰的規(guī)劃。短期內(nèi)的目標(biāo)是把研發(fā)出來的軟體康復(fù)手全面推廣到醫(yī)院的康復(fù)科去使用，從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化?！拔疫@一輩子，就是希望自己研發(fā)出來的產(chǎn)品，哪怕只有一個(gè)，只要它能夠真正在日常生活中得到應(yīng)用，那就是我最有成就感的事情了?！痹谖覈圃鞓I(yè)水平不斷提升的當(dāng)下，軟體機(jī)器人的研發(fā)將進(jìn)入快速增長期，極有可能成為中國下一個(gè)經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，張進(jìn)華相信，軟體機(jī)器人的研究也將大有可為。

（責(zé)編：蘇寒山）703BF590-C796-4438-808F-FBA4B9A1BD22