戴建生院士：開(kāi)發(fā)新樣機(jī)系統(tǒng)，助力機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展
來(lái)源: 聚展網(wǎng)
2023-11-29 12:57:19
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機(jī)器人資訊
機(jī)器人的發(fā)展是事關(guān)“中國(guó)智造”的大計(jì)。
近日，國(guó)際機(jī)構(gòu)學(xué)和機(jī)器科學(xué)聯(lián)合會(huì)（International Federation for the Promotion of Mechanism and Machine Science，以下簡(jiǎn)稱(chēng)“IFToMM”）第十六屆世界大會(huì)（16th IFToMM World Congress）在日本東京召開(kāi)。本屆大會(huì)上，南科大機(jī)械與能源工程系講席教授、機(jī)器人研究院院長(zhǎng)戴建生院士被授予“IFToMM卓越成就獎(jiǎng)”（Award of Merit），為該獎(jiǎng)設(shè)立二十年的第十五位獲獎(jiǎng)?wù)摺Ｎ覀儾稍L(fǎng)了戴建生院士團(tuán)隊(duì)，請(qǐng)他們談?wù)勴?xiàng)目及科研工作背后的故事。
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▍促進(jìn)機(jī)械形態(tài)變革 助力領(lǐng)域綠色發(fā)展
在2023國(guó)家自然科學(xué)基金評(píng)選結(jié)果中，南科大獲得了278項(xiàng)基金資助項(xiàng)目。其中，由戴建生院士團(tuán)隊(duì)牽頭的“機(jī)械設(shè)計(jì)、制造及服役中的科學(xué)問(wèn)題（E05）”的重點(diǎn)項(xiàng)目獲批立項(xiàng)。該項(xiàng)目聚焦變胞機(jī)構(gòu)高適應(yīng)性設(shè)計(jì)與穩(wěn)態(tài)變構(gòu)國(guó)際難題，融入生物進(jìn)化論原理，深入研究高適應(yīng)變胞機(jī)構(gòu)中力流演變規(guī)律與進(jìn)化形態(tài)學(xué)對(duì)機(jī)構(gòu)構(gòu)形演變的影響，開(kāi)發(fā)兩種高適應(yīng)性具有變胞特性的智能結(jié)構(gòu)進(jìn)化機(jī)器人以適應(yīng)航空狹窄腔體作業(yè)與航天空間抓捕任務(wù)。
基于力流的變胞機(jī)構(gòu)性能評(píng)估指標(biāo)體系的研究示意圖
在以人工智能和機(jī)器人技術(shù)為代表的第四次工業(yè)革命帶來(lái)了傳統(tǒng)機(jī)器的更新下，迎來(lái)了機(jī)器人發(fā)展的時(shí)代，包括服務(wù)機(jī)器人、先進(jìn)制造業(yè)、航空航天、自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)等領(lǐng)域。但在生態(tài)環(huán)境惡化加劇和自然資源日益緊缺的情況下，各類(lèi)機(jī)器人與機(jī)械設(shè)備對(duì)機(jī)構(gòu)可重構(gòu)能力與變結(jié)構(gòu)特性的要求不斷提高。換句話(huà)說(shuō)，需要對(duì)機(jī)器人骨架的機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使其形態(tài)能夠隨意切換，減少機(jī)器人、電機(jī)、電池等部件的生產(chǎn)，達(dá)到減少環(huán)境污染、能源消耗的效果。
戴建生院士本次牽頭的國(guó)自然重點(diǎn)項(xiàng)目聚焦高適應(yīng)性機(jī)構(gòu)的核心與共性問(wèn)題，采用進(jìn)化形態(tài)學(xué)，提出基于生物進(jìn)化的變構(gòu)設(shè)計(jì)方法，揭示力流演變機(jī)理及其對(duì)變構(gòu)設(shè)計(jì)影響，開(kāi)發(fā)用于航空狹窄腔體作業(yè)與太空多態(tài)碎片抓捕任務(wù)的兩套高適應(yīng)多元變胞的智能結(jié)構(gòu)進(jìn)化機(jī)器人系統(tǒng)以驗(yàn)證理論與方法。
基于變胞機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法開(kāi)發(fā)的電力變胞機(jī)器人
團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備開(kāi)發(fā)的兩套樣機(jī)系統(tǒng)，分別為基于行為元與胞元的進(jìn)化形態(tài)學(xué)設(shè)計(jì)的航空異形內(nèi)腔體高適應(yīng)多元變胞機(jī)器人樣機(jī)，和基于基因操作的進(jìn)化形態(tài)學(xué)設(shè)計(jì)的航天高適應(yīng)多元變胞抓捕手系統(tǒng)樣機(jī)。
前者面向航空飛行器。飛行器進(jìn)氣風(fēng)道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)腔形狀不斷變化，傳統(tǒng)的定形態(tài)機(jī)器人難以進(jìn)入維修、檢查等。以進(jìn)氣風(fēng)道缺陷檢測(cè)任務(wù)實(shí)際需求為例，戴院士團(tuán)隊(duì)研制復(fù)雜異形內(nèi)腔體高適應(yīng)變胞機(jī)器人原理樣機(jī)，可采用變形態(tài)、變拓?fù)浼白兘Y(jié)構(gòu)等多元進(jìn)化模式，沿飛機(jī)風(fēng)道受限空間、變截面、變曲率和變凹凸性的內(nèi)壁自主行走，實(shí)現(xiàn)內(nèi)壁缺陷無(wú)損檢測(cè)。
第二套樣機(jī)面向未來(lái)空間站的建設(shè)與月球、火星等深空探測(cè)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)星進(jìn)行在軌升級(jí)、故障模塊更換、補(bǔ)給、裝配等維護(hù)任務(wù)及太空垃圾清理任務(wù)，利用戴院士團(tuán)隊(duì)研究所提進(jìn)化形態(tài)學(xué)的構(gòu)建基因操作方法，通過(guò)對(duì)胞元、形態(tài)元、變量元的操作，實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)該多元變胞抓捕手階段機(jī)構(gòu)變構(gòu)的進(jìn)化形態(tài)學(xué)綜合，從而達(dá)到在航天領(lǐng)域能量受限環(huán)境下，一機(jī)多能、一機(jī)多用的特點(diǎn)。也就是說(shuō)，在太空環(huán)境下，戴院士團(tuán)隊(duì)研制的新型機(jī)器人，可以達(dá)到憑變換形態(tài)完成所有任務(wù)的效果，可節(jié)省大量能源，促進(jìn)機(jī)器人領(lǐng)域科技快速發(fā)展。
▍深耕變胞機(jī)構(gòu)與可重構(gòu)領(lǐng)域 勇于面對(duì)挑戰(zhàn)性課題
戴建生院士自1998年從生物學(xué)原理提出Metamorphic Mechanisms，1999年與中國(guó)工程院院士張啟先共同確認(rèn)中文翻譯為變胞機(jī)構(gòu)以來(lái)，在變胞機(jī)構(gòu)與可重構(gòu)領(lǐng)域深耕了二十余年。這些年來(lái)，戴院士在機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)理論上持續(xù)研究，在機(jī)構(gòu)的開(kāi)發(fā)上帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了許多新機(jī)構(gòu)，在研究上協(xié)助許多院校研究所進(jìn)行變胞機(jī)構(gòu)與可重構(gòu)機(jī)構(gòu)的多方位研究。
自然界的生物經(jīng)過(guò)進(jìn)化，存活下來(lái)的生命體都具有極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和優(yōu)異的生存能力?？偨Y(jié)生物進(jìn)化形式可概括為四種形態(tài)：無(wú)變形態(tài)（Ametabolous），半變形態(tài)（Hemimetabolous），全變形態(tài)（Holometabolous），超變形態(tài)（Hyper-metamorphosis）。領(lǐng)域?qū)W者們從生物學(xué)中汲取靈感，從自然萬(wàn)物生長(zhǎng)進(jìn)化過(guò)程尋找對(duì)設(shè)計(jì)的啟發(fā)。特別是近年來(lái)提出的進(jìn)化機(jī)器人融合感知、認(rèn)知、形態(tài)為一體，為IEEE（電氣與電子工程師協(xié)會(huì)）認(rèn)定的機(jī)器人領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要方向。“但目前研究只是考慮感知系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、控制架構(gòu)等，重在算法層面的演化、模擬及控制，還沒(méi)有從結(jié)構(gòu)/機(jī)構(gòu)的形態(tài)進(jìn)化方面開(kāi)展研究。如何突破進(jìn)化機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)進(jìn)化并構(gòu)建此類(lèi)機(jī)器人的設(shè)計(jì)理論和方法是一項(xiàng)挑戰(zhàn)性難題。我們團(tuán)隊(duì)迎接挑戰(zhàn)，在智能結(jié)構(gòu)進(jìn)化機(jī)器人方面進(jìn)行深入研究?！贝髟菏空f(shuō)道。
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戴院士當(dāng)前研究的變胞機(jī)構(gòu)就是在生物進(jìn)化啟發(fā)下提出和發(fā)展的。變胞機(jī)構(gòu)是一種在線(xiàn)進(jìn)化自重構(gòu)的高適應(yīng)性機(jī)構(gòu)，前期單純從構(gòu)型、型綜合和運(yùn)動(dòng)學(xué)研究。而當(dāng)前在這類(lèi)機(jī)構(gòu)的科學(xué)研究前沿，特別是研究該類(lèi)機(jī)構(gòu)變構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，引入多態(tài)進(jìn)化來(lái)實(shí)現(xiàn)多元變胞機(jī)構(gòu)與機(jī)器人設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的研究方向。同時(shí)在科學(xué)研究中引入了環(huán)境力驅(qū)動(dòng)力及其傳遞與流向（即力流）對(duì)變構(gòu)變異影響，又是一個(gè)重要研究方向。
現(xiàn)有機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)都是采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行多種研究。對(duì)于這種設(shè)計(jì)，一是明顯將運(yùn)動(dòng)學(xué)與力學(xué)分離，力運(yùn)動(dòng)流向在設(shè)計(jì)后再考慮。二是只針對(duì)于定拓?fù)洹⒍ㄗ杂啥葯C(jī)構(gòu)。前者的拓?fù)溥\(yùn)動(dòng)學(xué)綜合與力學(xué)性能是割裂的，后者同樣沒(méi)有考慮力對(duì)變構(gòu)的影響特別是力流對(duì)機(jī)構(gòu)變構(gòu)與變構(gòu)導(dǎo)向的影響。戴院士介紹道，“多元進(jìn)化設(shè)計(jì)需要面對(duì)復(fù)雜多變環(huán)境引發(fā)的作用力，特別是構(gòu)態(tài)變換又離不開(kāi)力流，因此多元變胞機(jī)構(gòu)進(jìn)化設(shè)計(jì)不僅要將進(jìn)化形態(tài)學(xué)融于構(gòu)型設(shè)計(jì)之中，也要將力流演變?nèi)谌肫渲?。?
戴院士與他團(tuán)隊(duì)的多年研究在國(guó)際上開(kāi)辟了可重構(gòu)機(jī)構(gòu)與可重構(gòu)機(jī)器人的新領(lǐng)域，得以在國(guó)際上進(jìn)行廣泛研究。他在2015年獲得了ASME DED機(jī)構(gòu)學(xué)與機(jī)器人學(xué)終身成就獎(jiǎng)，成為該獎(jiǎng)設(shè)立41年來(lái)第27位獲獎(jiǎng)?wù)摺４送?，?020年獲得國(guó)際機(jī)械設(shè)計(jì)最高獎(jiǎng)：ASME機(jī)械設(shè)計(jì)最高獎(jiǎng)，為設(shè)獎(jiǎng)62年來(lái)第58位獲獎(jiǎng)?wù)撸孜蝗A人獲獎(jiǎng)?wù)摺?
戴院士本次所開(kāi)展的重點(diǎn)項(xiàng)目將生物多態(tài)進(jìn)化和機(jī)構(gòu)多元變胞融合起來(lái)，研究進(jìn)化與力流融合的高適應(yīng)多元變胞機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理與方法，大大提高了機(jī)構(gòu)適應(yīng)復(fù)雜受限服役環(huán)境和一機(jī)多能操作任務(wù)的能力，是機(jī)構(gòu)學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)挑戰(zhàn)性課題，相關(guān)研究對(duì)豐富機(jī)構(gòu)學(xué)理論和工程應(yīng)用均具有十分重要的意義。
“做研究在我看來(lái)就是十年磨一劍，前沿的理論研究需要經(jīng)過(guò)不斷挖掘、探索與沉淀。機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)在萌芽時(shí)期的論文專(zhuān)著極少，澳大利亞著名旋量機(jī)構(gòu)學(xué)專(zhuān)家Hunt教授于1978年出版了旋量理論專(zhuān)著，由于書(shū)中沒(méi)有公式，非常難讀懂。我就反復(fù)讀，一遍不行，就讀第三遍、第四遍，當(dāng)時(shí)導(dǎo)師戲稱(chēng)我為‘旋量先生’?！被貞浧鹱鲅芯窟^(guò)程中經(jīng)歷的種種，戴建生院士感慨萬(wàn)千。經(jīng)歷了二十多年對(duì)于旋量理論的研究，戴院士提出了旋量代數(shù)并發(fā)表了數(shù)篇第一作者與單獨(dú)作者的旋量代數(shù)文章。2014年，經(jīng)歷了兩年的英文版寫(xiě)作與三年的中文翻譯，戴院士在有幾十位數(shù)學(xué)家著述的“現(xiàn)代數(shù)學(xué)基礎(chǔ)”叢書(shū)中，發(fā)表了數(shù)學(xué)專(zhuān)著《旋量代數(shù)與李群、李代數(shù)》，并于2020年在70部數(shù)學(xué)叢書(shū)中進(jìn)行再版。
“不經(jīng)一番寒徹骨，怎得梅花撲鼻香?！弊隹蒲胁⒉皇且环L(fēng)順，要經(jīng)歷許多努力、克服重重困難，才能到達(dá)最終的彼岸。在這次的國(guó)自然重點(diǎn)項(xiàng)目申請(qǐng)過(guò)程中，戴院士在撰寫(xiě)項(xiàng)目申請(qǐng)一事上可謂是“嘔心瀝血”：“做國(guó)自然重點(diǎn)項(xiàng)目申請(qǐng)的過(guò)程中，我假期三天內(nèi)時(shí)而躺在沙發(fā)思考、手書(shū)，時(shí)而又回到電腦進(jìn)行查閱與確認(rèn)，不斷陷入思考當(dāng)中。后來(lái)又用整整一天時(shí)間填入文檔，反復(fù)確認(rèn)?！毖芯?、總結(jié)的過(guò)程中總伴隨著思考，這是一個(gè)糾結(jié)而又不得不經(jīng)歷的過(guò)程。
戴院士團(tuán)隊(duì)的研究生何景輝說(shuō)道：“戴院士對(duì)于我們做任何事的細(xì)節(jié)都要求一絲不茍，對(duì)我們研究的任何材料都要精確到一字一詞，甚至標(biāo)點(diǎn)符號(hào)。這讓我們養(yǎng)成了對(duì)待每一件事都要細(xì)心、認(rèn)真，將它做到完美。”正是這樣的嚴(yán)格要求，團(tuán)隊(duì)才做出了重要的科研項(xiàng)目，為國(guó)家的科研發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。
戴院士說(shuō)道，機(jī)器人的發(fā)展是事關(guān)“中國(guó)智造”的大計(jì)，對(duì)提高國(guó)家工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展競(jìng)爭(zhēng)力，滿(mǎn)足國(guó)家對(duì)高端制造技術(shù)發(fā)展的需求有著極其重要的作用。南科大機(jī)器人研究院建立以來(lái)創(chuàng)立了多個(gè)省、市級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，目前可重構(gòu)與柔性制造機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也正在籌備中。地處改革開(kāi)放的前沿城市深圳，且面臨“雙區(qū)”的重要契機(jī)，機(jī)器人研究院的發(fā)展迎來(lái)了難得的歷史發(fā)展機(jī)遇。未來(lái)，戴院士堅(jiān)信，南科大機(jī)器人研究院不僅要立足深圳市，更要面向粵港澳大灣區(qū)和國(guó)家，力爭(zhēng)引領(lǐng)相關(guān)研究沖向世界機(jī)器人研究的前沿。
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