访北航文力教授：探仿生机器人创新｜中关村仿生机器人大赛决赛前

  2024年中关村仿生机器人大赛即将迎来总决赛。大赛设置了人形仿生机器人、多足仿生机器人、具身大模型及其他仿生机器人四大赛道，吸引了来自全国各地百余支团队报名，展现了仿生机器人领域的蓬勃发展形态趋势。为进一步探索行业发展现状与趋势，近日，大赛组委会邀请北京航空航天大学文力教授就仿生机器人领域的技术创新、未来发展等热点问题进行了交流。

  北京航空航天大学教授，博士生导师，机电工程及自动化系主任。国家杰出青年科学基金获得者。中国自动化学会共融机器人专委会、机器人智能专委会委员，中国电子学会柔性电子专委会委员，国家京津冀协同创新中心“智能交互机器人前沿实验室”特聘科学家，北京市生物医学工程高精尖创新中心客座研究员。担任 《IEEE Transactions on Robotics》《Soft Robotics》《International Journal of Robotics Research》《Bioinspiration and Biomimetics》《机器人》等多个期刊的编委。

  在谈到实现从生物特征到机器人功能转化过程中的主要难点时，文力教授指出，理解生物特性的关键机理是最具挑战性的问题。对工科研究者而言，这是一个典型的跨学科过程。从生物的感知神经系统、肌肉组织、骨骼结构到最终的运动行为，每个环节都需要深入理解不同学科的知识。这就要求研究者一方面要掌握生物物理、神经生物学、生物力学等传统工科教育中未曾涉及的领域，另一方面要尽量与生物学家、生物力学专家等开展深入合作，通过科学的生物测量和表征方法等来精准把握关键科学问题。这种跨学科合作的重要性，恰恰凸显在解决复杂的仿生问题上。

  在分析仿生机器人研究的关键技术难题时，文力教授指出，这主要涉及驱动、感知和控制三个方面。在设计制造层面，生物体从骨骼、肌肉、肌腱到皮肤存在跨越多个尺度和硬度的特性，其硬度差异非常大，怎么来实现这种多尺度异质结构和材料的设计是一大挑战。

  另一个难点是实现类似生物皮肤的高灵敏度感知功能，并且要保证柔韧性和轻薄性。不仅要考虑整体制造问题，还包括设计带来的调整。在控制方面，仿生机器人的控制管理系统很多都从生物特性中获得启发，无论是基于神经的控制、CPG（中枢模式发生器）还是基于抗扰动的控制，都构成了仿生机器人领域的关键技术难题。

  谈到机器人的柔性感知和触觉、水下机器人、深海机器人、跨介质机器人、柔性电子和机器人智能控制等多个研究方向之间的关联，文力教授指出这些领域之间有紧密联系。

  以水下机器人为例，从浅水、浅海到深海机器人，工作深度从几十米到几千米不等，而跨介质机器人则需要应对从水下到空中的转换。虽然这些领域紧密相关，但在技术实现途径上，结构设计和操控方法都会随着介质类型和水深的变化而发生较大改变，这给每个领域都带来了新的挑战。

  在感知方面，柔性触觉和柔性电子的研究目标是为机器人提供更灵敏的感知能力，使其能够在水下或深海环境中感知微小的力，既可以感知环境，也能为机器人自身提供反馈。而获得这些反馈后，核心问题是怎么来实现机器人在这些环境中的可控运动。

  在强扰动环境下，传统结构化环境中的经典操控方法难以满足需求。面对时空维度都在变化的扰动，需要更先进的智能操控方法，可能采用基于模型预测的方法，也可能使用基于数据驱动的机器学习和深度学习方式。这些操控方法的研究目标是解决机器人在非结构化环境下受到不可控扰动因素的影响。

  总的来说，这些研究方向虽然面向不同介质和深度，但都致力于为机器人提供必要的感知反馈，最终目标是实现机器人在不同环境、甚至是复杂恶劣环境下的可控运动，以此来实现各个研究方向的融会贯通。

  在探讨全球软体机器人与仿生机器人的研究热点时，文力教授指出目前存在两大关键趋势。第一个趋势是和AI的深层次地融合。过去的研究大多分布在在软体机器人的驱动感知、结构设计和柔性电子皮肤等方向，而未来需要将这些技术整合成一个完整的智能系统，打造真正的智能软体机器人。第二个趋势是推动软体机器人系统的实际落地应用，这也是未来发展的重要方向。

  谈到中国在这一领域的优势，文力教授表示，我国在软体机器人研究领域拥有大量优秀的研究学者，且不断有新的人才加入。同时，研究人员普遍重视应用导向，积极探索软体机器人的落地路径，这将为我国在该领域的实际应用带来显著优势。

  谈到在软体机器人领域最期待实现的突破时，文力教授指出了两个关键方向。第一个是国家重大需求领域，特别是在空间和海洋探索等方面。这类应用的数量需求可能相对有限，但具备极其重大的战略意义。第二个是医疗领域。目前软体机器人在医疗和康复方面已有一些应用，但在疑难杂症治疗和关键手术等领域还有很大的发展空间。软体机器人的柔性结构和材料天然具有安全性和结构自适应性的优势，这一点已在学术界获得普遍认可。不过，要实现临床应用，还需要在稳定性、经常使用安全性和生物相容性等方面做长期验证。对于未来3-5年的发展，文力教授认为，随着更多研究的开展，这两个领域有望取得突破性进展。

  在聊到对仿生机器人领域年轻科研人员的建议时，文力教授认为在科研道路上最重要的是要学会聚焦，打造自己的技术“名片”。年轻研究者需要在某个具体方向深耕细作，形成自己的核心竞争力。这不仅是立足学术界的基础，也是开展广泛合作的前提。

  同时还要具备合作精神。机器人是一个复杂的系统工程，从结构设计到驱动系统，从感知控制到环境互动，很难依靠单个团队在所有方面都达到领先水平。因此，与其他优秀团队的合作交流显得很重要。

  谈到2024年中关村仿生机器人大赛，文力教授认为大赛涉及到的人形机器人、多足机器人、具身大模型等多个赛道非常契合当前产业高质量发展需求。这种“以赛代练”的形式对于从学生到创业者，再到初创企业都很有帮助，不但可以发掘人才和新技术，更重要的是能够检验技术的实战能力。与实验室环境不同，比赛过程中参赛者将面临各种预想不到的情况和环境干扰，这恰恰是检验机器人稳定性和适应能力的最好方式。通过比赛，能够选拔出真正高水平的队伍，这些队伍对未来技术推进和产业转化都将起到积极推动作用。

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