“變形金剛”走進(jìn)現(xiàn)實(shí)，變胞理論讓機(jī)器人學(xué)會(huì)變形技巧

如何能讓機(jī)器像變形金剛一樣自如地在各種形態(tài)之間來(lái)回切換？英國(guó)皇家工程院院士、天津大學(xué)教授戴建生從人類(lèi)進(jìn)化和細(xì)胞分裂重組過(guò)程中獲得靈感，領(lǐng)銜完成的“機(jī)構(gòu)演變與變胞機(jī)理發(fā)現(xiàn)及其幾何形態(tài)變構(gòu)理論與分岔調(diào)控機(jī)制”項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱(chēng)變胞理論），讓機(jī)器機(jī)構(gòu)變構(gòu)有了理論體系支撐，也讓機(jī)器變形變構(gòu)設(shè)計(jì)減少了實(shí)踐試錯(cuò)，變得更加容易。近日，該項(xiàng)目在天津市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)中獲得自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。

靈感源自細(xì)胞分裂重組過(guò)程

就像人們同時(shí)做很多項(xiàng)工作會(huì)感到“手忙腳亂”一樣，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機(jī)器往往也只能完成單一的工作，面對(duì)復(fù)雜甚至需要改變自己結(jié)構(gòu)形態(tài)才能完成的工作時(shí)往往就會(huì)無(wú)能為力了。

比如輪式機(jī)器人在野外作業(yè)時(shí)，面對(duì)平緩的路面可以快速滾過(guò)去，但如果遇到臺(tái)階，輪式機(jī)器人就“力不從心”了。如果此時(shí)車(chē)輪變形成輪腿式構(gòu)型，機(jī)器人則可以輕松跨越障礙物。

2000年前，戴建生在設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)機(jī)器人自動(dòng)包裝生產(chǎn)線時(shí)就遇到了同樣的難題。他發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)機(jī)械多指手手掌都是一整塊鋼板固定的結(jié)構(gòu)，至多分為兩塊或三塊。如果能模仿人手手掌結(jié)構(gòu)，靈活運(yùn)動(dòng)，機(jī)械多指手就能進(jìn)行更多的操作了。于是經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)改造，戴建生制作了可以自由活動(dòng)的仿人靈巧手。遇到孔洞的時(shí)候，靈巧手可以模仿人手攥拳，伸到孔洞里，而后再伸展開(kāi)進(jìn)行各種操作。

在不同場(chǎng)景中，機(jī)械構(gòu)型改變是必須的也是千變?nèi)f化的。而每次這些具有不同自由度的新構(gòu)型都要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，這就涉及到結(jié)構(gòu)、軸、關(guān)節(jié)等諸多方面的技術(shù)參數(shù)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。特別是復(fù)雜構(gòu)形的改變，涉及到的東西更多。因此每一次實(shí)踐，就會(huì)經(jīng)歷大量試錯(cuò)，浪費(fèi)人力物力，導(dǎo)致效率低下。

“是否可以有一套理論，來(lái)支撐機(jī)器與機(jī)械根據(jù)實(shí)際需求‘變身重構(gòu)，‘動(dòng)態(tài)演變，靈活地適應(yīng)變化的工作環(huán)境與功能需求？”團(tuán)隊(duì)成員、天津大學(xué)現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)與機(jī)器人學(xué)中心執(zhí)行主任康榮杰教授解釋戴建生的理論，就像蝴蝶從毛毛蟲(chóng)破繭成蝶這一過(guò)程背后蘊(yùn)藏著精妙的生物演化機(jī)理一樣，機(jī)器構(gòu)型的設(shè)計(jì)綜合與演變分析也需要一套創(chuàng)新的理論體系來(lái)指導(dǎo)。戴建生于1998年提出該理論，并于1999年與中國(guó)工程院院士張啟先共同命名該理論為變胞機(jī)構(gòu)。戴建生在之后20多年的深耕中，逐步建立起一套完整的變胞理論。

讓機(jī)器變構(gòu)設(shè)計(jì)變得更容易

把靈感付諸實(shí)踐需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲校鎸?duì)傳統(tǒng)機(jī)器拓?fù)渑c活動(dòng)度一成不變，難以滿足多工況多需求的難題，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在戴建生的帶領(lǐng)下，經(jīng)過(guò)20年深耕，在國(guó)家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目的支持下，在國(guó)內(nèi)數(shù)個(gè)院校眾多學(xué)者共同協(xié)助下，團(tuán)隊(duì)建立了機(jī)器機(jī)構(gòu)演化理論體系，開(kāi)展了機(jī)器機(jī)構(gòu)演變機(jī)理研究，完成了大量原創(chuàng)且國(guó)際領(lǐng)先的工作，創(chuàng)立了變胞機(jī)構(gòu)和可重構(gòu)機(jī)構(gòu)新研究領(lǐng)域。

變胞理論開(kāi)創(chuàng)了可重構(gòu)機(jī)構(gòu)與可重構(gòu)機(jī)器人大領(lǐng)域，變胞機(jī)構(gòu)子領(lǐng)域，首次提出了不同于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)且具有變活動(dòng)度、變構(gòu)態(tài)、變拓?fù)涞淖儼麢C(jī)構(gòu)/可重構(gòu)機(jī)構(gòu)理念。

團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)立了融合旋量理論、李群理論、微分流形三大理論的變胞理論體系，揭示了變胞機(jī)構(gòu)/可重構(gòu)機(jī)構(gòu)的演變機(jī)理?！熬褪前褦?shù)學(xué)工具融會(huì)貫通，找到本質(zhì)相通的地方，構(gòu)建一套起源本質(zhì)的變胞機(jī)構(gòu)/可重構(gòu)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新與綜合設(shè)計(jì)體系?！贝鹘ㄉ忉屨f(shuō)。

此外，團(tuán)隊(duì)還攻克了變胞機(jī)構(gòu)與可重構(gòu)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)選擇、變構(gòu)調(diào)控等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，建立了變胞機(jī)構(gòu)/可重構(gòu)機(jī)構(gòu)的構(gòu)態(tài)調(diào)控機(jī)制與控制策略。

“也就是說(shuō)，有了變胞理論，在設(shè)計(jì)變形機(jī)器的時(shí)候，只需要按照需求約束好各種條件，輸入?yún)?shù)，按照變胞理論提供的‘公式，就可以設(shè)計(jì)出軸、關(guān)節(jié)等如何布置了?！笨禈s杰說(shuō)。

應(yīng)用變胞理論，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了絕緣子劣化診斷與維護(hù)、輸電線路巡檢、斷股補(bǔ)修等多款變胞電力機(jī)器人以及可變各種形態(tài)各種爬行姿勢(shì)的變胞足式機(jī)器人。

團(tuán)隊(duì)成員，機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、沈陽(yáng)自動(dòng)化所研究員王洪光介紹說(shuō)，南方很多輸電線路架設(shè)在崇山峻嶺中，電路巡檢主要靠人工，勞動(dòng)強(qiáng)度大，危險(xiǎn)性高。傳統(tǒng)的巡檢機(jī)器人在翻越線路桿塔的時(shí)候難以完成。利用變胞機(jī)構(gòu)“一機(jī)多能、一機(jī)多用”的特點(diǎn)，提升了線路巡檢機(jī)器人的行走與越障能力以及環(huán)境適應(yīng)性，進(jìn)而提升了“輸—變—配”電力設(shè)備的智能化運(yùn)維水平。

此外，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的變胞多指靈巧手應(yīng)用于中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心特種防護(hù)服測(cè)試裝備，服務(wù)于國(guó)家載人航天工程。他們研發(fā)的變胞靈巧手與變胞足式機(jī)器人項(xiàng)目被孵化成天津大然機(jī)器人和深圳大寰機(jī)器人兩個(gè)學(xué)生創(chuàng)辦的高科技創(chuàng)業(yè)公司。同時(shí)，該理論指導(dǎo)了數(shù)個(gè)國(guó)家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目研究與國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目研究，服務(wù)于國(guó)家重大需求。