潛心機器人 智享新未來
——記北京工業大學信息學部教授左國玉

龐紅碩

左國玉

2015年，在北京國家會議中心舉辦的首屆世界機器人大會上，一款遙操作隨動機器人與日本大阪大學的情感機器人、韓國科學技術院的類人機器人等作品一起作為先進研究成果在大會的未來展區進行了展出，出席大會的國家領導人先后觀摩了遙操作隨動機器人的展演。這款機器人就是北京工業大學教授左國玉的機器人團隊瞄準世界機器人前沿技術歷時多年研究的成果。

科研筑夢路

27年前，左國玉從安徽大學畢業后，進入安徽電子科學研究所工作。“20世紀八九十年代，人們學知識學文化的熱情特別高，工作也都非常認真努力。”也是抱著這份對工作的執著和熱情，他潛心研究，成功開發了很多智能檢測儀器，廣泛應用到工礦企業的自動化生產中。“在研究所工作的這幾年，我積累了很多實際工程中的經驗，這對我后來從事機器人技術研究幫助非常大。”左國玉說。后來，隨著新課題新問題的不斷出現，盡管工作方法上已經駕輕就熟，技術經驗也相當深厚豐富，左國玉卻時常感到自己的工作好像已經進入了“瓶頸期”。一次，同事因工作需要，竟從安徽跑到北京的一家圖書館查閱資料，這對左國玉觸動很大。“當時就覺得北京科技氛圍應該很濃厚，技術資料也很齊全，科技水平高，研究環境好。”再加上20世紀90年代的中國處處都透露著“改革轉型”的氣息。這讓左國玉意識到，技術研究同樣要面臨升級轉型，這就意味著不能只局限于眼前的現有成果，要去探索更新更前沿的未知領域。漸漸地，他萌生了到北京學習的念頭。

1999年，左國玉來到北京工業大學攻讀博士學位，畢業后他一頭扎進了智能機器人技術的研究領域，直到今天。在學習和工作期間，為了提高自己的專業能力和研究水平，左國玉分別在中國科學院自動化研究所、北京航空航天大學、美國馬里蘭大學進行了訪修工作，對人工技術系統進行了深入而系統的研究。他帶領團隊先后開發了仿生跳躍機器人、兩輪自平衡機器人、遙操作隨動機器人和全向移動式人形機器人系統等，并多次參加國際工業博覽會、國際科技博覽會、世界機器人及智能裝備大會等，受到了業界和媒體的廣泛關注。

“遙”出新動能

當今世界各國，機器人技術研究受到了前所未有的重視，美國多次修訂了“國家機器人計劃”，我國也將機器人和智能制造納入了國家科技創新的優先發展領域，機器人技術進入了蓬勃發展的階段。但是在可預見的未來，由于全自主機器人發展還將受到機構、控制、傳感器和人工智能技術的制約，機器人的自主作業能力還將受到極大的限制，因此機器人還不能代替人類進入到人不能進入的復雜甚至是未知的環境中進行作業。例如，在地震、泥石流、山體塌方等自然災害發生后，由于救援作業環境和作業任務都極其復雜，即使是當今最先進的自主機器人也不能夠勝任這類任務。帶著這樣的問題，左國玉組建了知行智能技術團隊，自2010年開始了遙操作機器人技術的研究，期望研制出一種基于“人在環中”控制策略的主從式機器人系統，能結合人類智能和機器人作業能力的優勢，更好地執行機器人作業任務，提高機器人的作業效率。在左國玉的指導下，僅僅第二年，團隊就成功開發了這種新型的遙操作隨動機器人系統，并獲得了當年舉辦的第十二屆“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽特等獎，這是北京工業大學乃至北京市屬高校首個“挑戰杯”全國賽特等獎。

在隨后的幾年中，遙操作隨動機器人技術研究受到了各方資金的支持，同時北京工業大學也將其納入學校智能制造領域大科研推進計劃，進行深度研究和開發，因此左國玉的團隊得以對系統不斷地進行改進和優化。他們以同構式遙操作為設計理念，對機器人從端系統的機械結構進行了重新設計，使其在外觀上不僅更像人類，各個部位的動作靈活度也與人類相差無幾。例如，7自由度的機器人手臂具有與人手臂相似的運動構型和作業空間，頭部和腰部分別有2個自由度，可以實現上下和左右轉動。手部使用10自由度的仿生設計，可以實現多樣的手部姿態。經過優化升級的遙操作機器人，其從端可以完全實時復制主端的操作者人體動作，因此系統能在人體和從端機器人動作的物理形態和作業時間上很好地體現了“隨動”特性。同構式遙操作方法也使機器人的控制更符合操作者的人體工程學和日常動作習慣，便于操作者根據直覺和經驗控制機器人。因此，整個遙操作控制過程簡便直觀，可以大大降低操作者的勞動強度和操作失誤率，提高控制效率。

遙操作機器人不僅在遠距離的太空作業及危險環境下的災后救援等領域中具有很好的應用前景，而且還可以作為智能輔助系統在助老助殘中發揮重要的作用。例如，在我國人力勞動成本日益提高，老齡化問題日益顯著的情況下，遙操作機器人可以作為一種遠程護理機器人的解決方案，完成老人或病患的翻身、喂藥等類人護理作業以及肢體康復訓練工作，因而可以用相對低的成本對有輕度護理需求的病患實施遠程集中護理，左國玉說。

學習新技能

AlphaGo是世界上第一個擊敗人類職業圍棋選手、第一個戰勝圍棋世界冠軍的人工智能機器人，它能主動地學習圍棋的對弈策略。目前研究人員對實物機器人的控制還主要停在通過編寫范式程序讓機器人按照固有規范進行動作這一層面上，而不是像AlphaGo一樣能夠主動“學習”，主動“思考”。同樣，盡管遙操作機器人在人的參與下能一定程度上進行有效的工作，甚至已在航空航天和遠程手術等領域進行了應用，但是機器人研究的終極目標應該是讓機器人擁有自主學習和作業能力，希望機器人能夠自主學習人類的動作技能，真正融入家庭、醫療、公共服務等各個領域。“我們更關注‘機器人’這個詞中‘人’的屬性，這也是我們研究的重點方向。”左國玉說。

對于智能機器人，運動可以說是它的基本任務，智能機器人運動技能也主要依賴于機器人的運動學習能力。讓人形機器人自主學習人類的動作技能也是當前人形機器人研究的核心問題。這項研究的難點在于如何才能使機器人具有像人類一樣的智能。因此，提升機器人自主適應新環境、自主學習新技能和自主作業的能力就成為左國玉團隊的關鍵挑戰。

在自然界中，無論人類還是其他生物，模仿都是其能夠掌握運動技能最直接、最有效的學習方式，機器人同樣可以通過嘗試模仿學習機制獲取新的技能。于是，基于模仿學習的理論和方法，左國玉團隊以人形機器人為研究對象，利用人工智能新技術，重點研究了人形機器人類人動作學習的生成模型，并構建了自主類人行為模仿學習的智能機器人系統。利用該系統，人形機器人能夠具有類似人的模仿學習能力和類人動作技能，更友好地與環境進行交互，從而實現人形機器人自主類人行為的應用。他們的這項研究受到了國家自然科學金基金和北京市自然科學基金等項目的支持，部分研究成果已經發表在國內外的權威期刊上。

科研絕不是單槍匹馬就可以完成的。左國玉極為重視團隊的力量，有時為了一個項目的推進，他甚至和團隊成員一起通宵達旦進行討論和修改，不曾有絲毫懈怠。在指導學生研究時，他也特別注意學生的獨立思考能力的科學探索精神的培養。工作之余，左國玉還經常找學生談心。在他看來，育人遠比授業重要得多，也難得多。“要憑興趣做事，摒棄獲獎、排名等功利心，這樣才能做好科研工作。”他強調。

習近平總書記曾在中國科學院和中國工程院兩院大會上重點指出，機器人是“制造業皇冠頂端的明珠”，是衡量一個國家科技創新和高端制造業水平的重要標志。如今，智能服務機器人已成為備受關注的新型研究領域，這場“機器人革命”無疑正影響著全球制造業的格局，將機器人產業發展推向國家級戰略層面。在這場革命的洪流中，左國玉為我國的智能機器人技術發展不斷貢獻著技術力量，在這項科研使命面前，他一直在堅守著自己的初心，并從未止步！