日前，教育部正式公布第二批“全國高校黃大年式教師團(tuán)隊(duì)”名單，東南大學(xué)宋愛國教授帶領(lǐng)的遙操作機(jī)器人技術(shù)教師團(tuán)隊(duì)成功入選。這是怎樣一支團(tuán)隊(duì)？近日，記者采訪了宋愛國，聽他講述了機(jī)器人研究“頂天立地”的故事。

△宋愛國教授

頂天立地，這是東大機(jī)器人開發(fā)者的初心使命

據(jù)悉，該團(tuán)隊(duì)有12名老師，加上學(xué)生有百人，各有分工各司其職。多年來，團(tuán)隊(duì)圍繞載人航天與探月工程、核電安全工程、助老助殘康復(fù)等領(lǐng)域的重大需求，長期開展遙操作機(jī)器人的前沿基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)研究。他們秉承“頂天立地”的科研精神，攻克一個(gè)個(gè)科研難關(guān)，“智造”出屬于中國的高端機(jī)器人。所謂“頂天”就是瞄準(zhǔn)世界科技前沿技術(shù)，“立地”指的是要將科研成果轉(zhuǎn)化，“飛入尋常百姓家”。

說起東大機(jī)器人研究的淵源，還有一個(gè)遺憾的故事。宋愛國說，他在學(xué)習(xí)《機(jī)器人傳感技術(shù)》課的第一天，導(dǎo)師黃惟一教授就說：“我們實(shí)驗(yàn)室的機(jī)器人研究事業(yè)，是查禮冠老師用生命換來的！”那段話，至今讓宋愛國記憶猶新，并且一直激勵(lì)著他。

查禮冠教授曾是南京工學(xué)院陀螺儀與導(dǎo)航儀器專業(yè)的帶頭人，從1958年到1960年，她研制了我國第一臺(tái)仿人機(jī)器人。1983年，全國第一次機(jī)器人大會(huì)在華南理工大學(xué)召開，查禮冠作為大會(huì)的三個(gè)主要發(fā)起人之一和黃惟一參加會(huì)議。會(huì)議剛結(jié)束，兩人走在華南理工大學(xué)校園里，一輛失控的汽車從斜坡上直沖而下，撞倒兩位老師。查禮冠當(dāng)場身亡，黃惟一重傷昏迷。

一年后，剛剛康復(fù)的黃惟一又重新把機(jī)器人傳感與控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)室建立了起來，實(shí)驗(yàn)室從1986年開始得到我國“863”高技術(shù)計(jì)劃的持續(xù)支持，并成為“863”計(jì)劃先進(jìn)制造領(lǐng)域機(jī)器人傳感技術(shù)網(wǎng)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的副組長單位。

“老師經(jīng)常強(qiáng)調(diào)承擔(dān)項(xiàng)目，既要頂天，也要立地。第一，要做最前沿的研究；第二，要圍繞國家重大需求；第三，要把前兩者有機(jī)結(jié)合起來?！彼螑蹏恢崩斡淈S惟一的教導(dǎo)，把“頂天立地”的原則貫徹到每一個(gè)科研項(xiàng)目中去。

心系航天，東大“智造”應(yīng)用于中國空間站

1993年3月，黃惟一將項(xiàng)目“力覺臨場感機(jī)器人基礎(chǔ)研究”的內(nèi)容作為宋愛國的博士課題。力覺臨場感機(jī)器人可以應(yīng)用于空間探測、深海開發(fā)和原子能利用等領(lǐng)域，在這些人難以到達(dá)的極限環(huán)境代替人完成復(fù)雜的操作任務(wù)。

△力反饋遙控操作頭頸部手術(shù)機(jī)器人

宋愛國與導(dǎo)師討論后，確定圍繞我國未來空間探測任務(wù)的重大需求開展臨場感機(jī)器人技術(shù)的基礎(chǔ)研究，重點(diǎn)解決空間通信大時(shí)延情況下，臨場感遙操作機(jī)器人的感知反饋與控制問題。

自此，宋愛國開啟了“頂天”的使命。

什么是臨場感機(jī)器人？記者了解到，臨場感機(jī)器人是一種先進(jìn)的人機(jī)交互遙操作機(jī)器人，通俗地說，機(jī)器人工作在遠(yuǎn)端，人在本地。通過各種傳感設(shè)備測量人肢體的運(yùn)動(dòng)信息并作為控制指令去控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)與操作，人怎么動(dòng)，機(jī)器人就怎么動(dòng)；同時(shí)，再將機(jī)器人的視覺、力覺、觸覺等各種感覺反饋給人，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器人的深度耦合，使人產(chǎn)生遠(yuǎn)在異地的“身臨其境”的感受，就像電影《阿凡達(dá)》描寫的一樣。宋愛國指出：“這也就是我們說的千里手，機(jī)器人的手就是我的手，實(shí)現(xiàn)隔空操作的效果。”

△桌面式力反饋上肢康復(fù)機(jī)器人

在空間環(huán)境當(dāng)中，影響遙操作系統(tǒng)穩(wěn)定性的一個(gè)元素是時(shí)延。經(jīng)過多年研究，宋愛國主要解決了空間機(jī)器人2秒左右延時(shí)造成的空間遙操作機(jī)器人控制不穩(wěn)定問題，并構(gòu)建了地面模擬空間機(jī)器人遙操作演示系統(tǒng)，驗(yàn)證了控制技術(shù)和力反饋技術(shù)的有效性。

之后，他利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)解決大時(shí)延問題的思路，又將2秒的時(shí)延問題擴(kuò)展到10秒大時(shí)延。2002年，宋愛國提出了異構(gòu)式機(jī)器人力反饋手控器的研究思路?！八暮诵募夹g(shù)就是虛擬現(xiàn)實(shí)的人機(jī)交互技術(shù)?！?/p>

△基于虛擬環(huán)境建模的遙控操作機(jī)器人系統(tǒng)

此前，宋愛國團(tuán)隊(duì)為“天宮二號(hào)”研制了航天員在軌操作力的測量傳感器以及測量系統(tǒng)。航天員在失重環(huán)境下，肌肉松弛會(huì)造成鈣流失與肌肉功能退化，生物力學(xué)發(fā)生變化，肢體出力情況跟地面相差很大。

那么，人在失重環(huán)境下肌肉到底能產(chǎn)出多大的力？之前只有美國和俄羅斯有這個(gè)數(shù)據(jù)。宋愛國團(tuán)隊(duì)從2008年開始研制高精度的多維力傳感器與航天員操作力測量系統(tǒng)，對(duì)空間站內(nèi)航天員13種操作力、36種操作方式進(jìn)行精確的力測量。

據(jù)悉，當(dāng)前相關(guān)研究已應(yīng)用于中國空間站的遙操作分系統(tǒng)，以及航天員操作力測量。

成果落地，讓更多人感受科技的魅力

“我們的科研成果既實(shí)現(xiàn)了‘頂天’又實(shí)現(xiàn)了‘立地’。這其實(shí)有兩層含義，第一層含義是指瞄準(zhǔn)世界學(xué)術(shù)前沿，并將科研成果成果轉(zhuǎn)化，推動(dòng)我國遙操作機(jī)器人技術(shù)發(fā)展。第二層含義是指我們的研究既能夠進(jìn)行空間探測又關(guān)心民生落到實(shí)處，滿足老年化的基本需求。”宋愛國說。

△軟體手部康復(fù)機(jī)器人

隨著老年人口比例的上升，助老養(yǎng)老逐漸成為社會(huì)熱點(diǎn)話題。在康復(fù)醫(yī)生有限的情況下，面對(duì)老年人心血管的老化導(dǎo)致的高血壓、糖尿病等，以及神經(jīng)系統(tǒng)老化導(dǎo)致感知遲鈍、運(yùn)動(dòng)遲緩等問題，宋愛國團(tuán)隊(duì)針對(duì)這些問題開展康復(fù)機(jī)器人研究。他告訴記者，目前團(tuán)隊(duì)正在研究一種機(jī)器人，用于識(shí)別老年人是否有老年癡呆的跡象，并在早期進(jìn)行干預(yù)治療。

“在科研的浩瀚星空中，每個(gè)人就像一顆渺小的星星，只有聚集起來才能閃耀太空。”采訪過程中，宋愛國一直強(qiáng)調(diào)，如今的成績是屬于團(tuán)隊(duì)的每一位成員。“被評(píng)選為‘黃大年式教師團(tuán)隊(duì)’是對(duì)我們的肯定和鼓勵(lì)，未來我們將繼續(xù)緊跟國家重大戰(zhàn)略需求，科技報(bào)國?！?/p>

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