石青：探秘仿生机器人的未来世界

机器人是什么？如果我们在网络上搜索，会发现它是这样被定义的：机器人是一种能够半自主或全自主工作的智能机器，具有感知、决策、执行等基本特征，可以辅助甚至替代人类完成危险、繁重、复杂的工作，提高工作效率与质量，服务人类生活，扩大或延伸人的活动及能力范围。在北京理工大学智能机器人研究所副所长石青教授看来，传统的机器人，主要将模拟信号转换成数字信号，用来控制机械电子系统，运动性能与真实生物相比灵活性较差。要进一步提升仿生机器人的各项性能，可以考虑将数字控制信号改为生物模拟信号，即将生物和机器人系统有机融合在一起，用类似生物的控制信号来控制机器人本体，或者用生物驱动的方式直接驱动机器人本体，这就是未来的生机电融合仿生机器人，也正是他多年来开展的研究工作。石青求学之路挫折之后迎转折石青从事机器人研发，可以说是缘分使然，水到渠成。时间追溯到2002年，北京理工大学机电工程学院的黄强教授继日本之后成功研发了仿人机器人，实现了仿人机器人独立行走和太极拳等表演，使中国的仿人机器人研究跨入世界先进行列。这一创举被中央电视台进行了报道。彼时，石青恰好是北京理工大学机电工程学院的大一新生，看到这则新闻，他心中的自豪感油然而生。从此，将来要研发机器人的梦想在石青的心中逐渐萌发。等到了大三，石青有机会被保研的时候，他就毅然选择了黄强作为他的研究生导师。从此，在黄强的带领下，石青在机器人研究领域走得越来越远。石青在北京理工大学是直博生，一般来说，他会在北理工完成研究生学业，然后顺利拿到博士学位，然而事情却意外地发生了变化。当时石青刚读完博一，恰巧迎来了北京理工大学与日本千叶工业大学的交流学习机会，在这一契机之下，他被派出去在日本学习了一年半。这本来是一个极好的机会，可让石青始料不及的是，这一年半让他受尽了挫折，最终又迎来了转折。刚开始去日本的时候，石青面临的一个最大的问题是语言不通，而且对日本的学习环境也不适应。2007年前后，要买电子芯片，在北京可以骑自行车去中关村买，然而在日本都需要从网上购买，由于语言问题，很难查找到一款合适的芯片。比如说电路板制作，在国内有很专业的软件，容易上手操作。但在日本高校，使用的却是学术版软件，而且大部分都是日语系统。我怎么都用不习惯，没法自制电路板，因此相关的实验验证难以开展。石青说，由于种种原因，他对日本的学习，包括他当时的研究方向机器人系统仿真都很抵触，这种情绪持续了将近一年多。就在石青的交流学习即将结束的时候，黄强教授有一次去日本出差，见到石青后就问他对日本的情况了解得怎么样。当时我说，我觉得我了解得不是特别好。石青回忆，当时黄强就给他建议：在这种情况下无法在日本得到应有的科研锻炼，与没出国没什么两样，不如在日本读个博士，换个地方好好锻炼一下。后来，在黄强的推荐下，石青来到日本早稻田大学攻读博士。博士毕业后，石青在日本又做了一年博士后研究，这才回到了母校北京理工大学。2013年5月，石青又回到了他的导师黄强的实验室。他觉得在国内可以充分发挥自己所学，施展抱负，同时导师黄强当时特别重视与日本的合作，他正好可以起到桥梁的作用。自此，他开始基于这一科研平台，开展研究工作。精中求精结缘仿生机器鼠在仿生机器人领域，石青的主要成就是研制出模仿实验鼠的智能微小型仿生机器人，机器鼠体形小巧、机动灵活，是执行狭窄空间探测的理想机器人形态，能进入人无法到达的区域执行特殊任务，应用前景广阔。机器人行为仿生表达与自然交互动物行为机理复杂，运动求解困难，传统的方法主要通过动力学行为规划来求解所有关节作用力，导致运动模式单一、机械，难以实现自然交互。为此，石青借鉴实验鼠所具备的自然、快速和灵巧特征，提出了行为仿生表达与自然交互方法，突破了微小型机器人多关节灵巧设计与系统集成关键技术，研制出微小型灵巧仿生机器鼠；解决了微小型仿生机器人行为模式单一、运动机械的难题，以及传统动物模型不可控、实验周期长等难题，实现了动物行为和心理的自动化评估及操控。基于以上的创新成果，石青出版专著1部，受邀在国际学术会议ICCSIP、IEEEICRAWorkshop等多次作特邀报告；研究成果被机器人领域国际权威J.Wiles教授引用，评价为研制了国际领先（stateoftheart）的机器鼠。瑞士技术科学院院士F.Mondada教授在其论文里正面引用了石青的工作，指出他研制的仿生机器鼠已经成为实验鼠行为研究的一个常用工具。基于微纳操作的仿生微感知与驱动受尺度限制，仿生机器人的多元感知及微驱动系统不易集成，现有研究主要从功能上模仿生物，形态和功能不能同时满足要求。为此，石青从生物和机器人融合的角度出发，提出了机器人化的微纳目标三维精密操作方法，解决了仿生微感知与驱动多元构建与集成难题，为新型仿生机器人的构建提供了新的途径。聚焦微纳​​​​​​​深耕生机电融合为了研制全新的仿生机器人，同时在中国科学院外籍院士、IEEE2020总主席福田敏男教授的大力支持下，石青也专注开展基于微纳生物操作的生机电融合研究。就是在微纳尺寸的级别下，用操作器操作生物细胞，然后再组装形成人工组织。石青解释道，这方面的研究主要有两部分，一部分是肌肉组织，一部分是神经信号。肌肉组织将来可以应用到仿生机器人身上，作为其中的一个驱动，即将生物驱动和机电融合。我们做神经接口，就是把机电和生物之间的接口串通起来，在电极上面培养神经组织。电极一端接着机电，另外一端神经组织接的就是生物了。石青说，我现在主要做的部分是基于微纳操作形成这个组织，让它跟机械电子结合在一起，做一些接口。一旦神经接通之后，将来假肢将不再是假肢，会变成人本体的一部分，作为人本体的延伸。这将不再是一个机电系统，而是一个真正的生机融合的东西。生物机电融合，有一个翻译过来的名字叫类生命系统，这是仿生机器人将来研究的一个趋势。石青打算今后在这一方面继续深入探索。师生传承​​​​​​​同探知未知新世界在石青求学的过程中，对他影响最大的除了黄强，还有他在日本学习时的副导师石井裕之教授。他认为，博士最主要的不是去学知识，而是要着重考虑方法论，即掌握如何解决问题的思路及方法。刚开始我也不是很明白。后来我回国之后才慢慢明白其中的道理，尤其是在带博士生的时候，让我受益匪浅。石青说。对于本科阶段的学生，石青认为最主要的还是系统化的学习过程。当前他所在的专业是机械电子工程，研究方向是机器人。根据多年的经验，石青认为研究机器人，可以从本科就开始培养，大三便可以去设计具体的机械结构，完成结构设计之后再做电路驱动，然后再做整体的系统控制。这样一套流程下来，学生特别有兴趣，同时也非常有成就感。事实证明，石青的这套培养方法是行之有效的。由他指导的学生成功获得了2019年首届全国大学生智能机电系统创新设计大赛一等奖、第二届中国研究生机器人创新设计大赛一等奖、第十一届首都挑战杯一等奖等，而他本人也被评为师德先进个人。除了单纯地传道、授业、解惑，石青还非常关心学生的生活和身心健康。为了缓解学生的压力，石青想到了一个小妙招：他制定了一个表格，学生按表所示打卡，每周做两次运动。如果没有运动，现在就出去跑两圈，有时候就以这样的方式命令他们出去运动。石青说。在他看来，在学生阶段，老师的正确引领十分重要。现在，石青已经逐渐组建起了自己的团队。团队里除他之外，还有一个年轻老师，一个博士后，近10个硕博研究生。在团队协作之下，石青做起研究来更得心应手了。石青表示，以前做研究时受到的约束比较多，现在他想放开手脚，带领团队去研究一些以前不敢做的事情，去探索一些未知的领域。

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