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作者：本刊记者 李晓文 黄 健 来源：科学中国人 发布时间：2015-11-17
导读：第一代机器人的世界级比拼中，似乎缺少了中国的身影。即使中国科学家刘立在核心领域占有开拓者的一席之地，即使国际空间站使用的Dextre双臂机器人“继承”了他的中国基因，但比照“机器人产业崛起”的强国梦，这依然远远不够的。
是跟从还是超越，是沉寂还是主宰？机器人2.0时代，我们是否能从工业机器人的困顿中顺利突围？这正是北京大学刘立教授一直求索的问题。
参与者，或是引领者
比尔·盖茨曾预言“机器人将重复个人电脑崛起的道路，成为下一个改变世界的技术。”而对参与了机器人整个发展过程的刘立教授而言，比尔.盖茨这个外行人能将目光聚焦于此，也正是“机器人时代”在以山雨欲来风满楼的架势席卷全球的有趣印证。
大多数人并不清楚，今日炙手可热的机器人，经历了相当艰难的起步阶段。早在1956年，美国Unimation公司，已经生产出了第一台工业机器人，从它制造出来到盈利经过了二三十年的时间，外观仍然没有很大的改变，发展难度由此可见一斑。
刘立教授投身机器人领域，是从1984年在加拿大读博士学位时开始的。当时，机器人研究刚刚成为一个独立的学科，领域内陆续也发生了几大标志性事件，包括美国机器人协会的成立以及第一次机器人国际会议的召开。刘立学习的原本是控制专业，1986年，博士毕业之前，他参加完机器人国际会议，看到蓬勃的发展形势，内心非常激动，于是回到学校试开了第一门机器人课程。
这门因热血而诞生的课程在同行业内广为人知，作为“第一个吃螃蟹的人”，刘立首次将自适应控制理论应用到机器人身上，目前世界公认对此项研究进行阐述的首篇论文就出自他的手下。多年以后当我们回过头来审视，那段激情澎湃的岁月更像是从混沌中进入崭新世界的通路，取道于此，控制科学使机器人的发展取得了极大的突破，而反过来，机器人的应用又促使控制科学取得了长足的发展。
1987年，刘立在加拿大McMaster大学取得电机和计算机工程博士学位，进行了一段时间的博士后研究，他加入了加拿大Spar Aerospace公司，即为如今的MDA公司，参与国际空间站机器人系统早期概念设计。这家公司说的上是加拿大的骄傲，它创始于上世纪50年代中期，是机械臂研究及制造领域的佼佼者。机械臂在普通人看来丝毫没有“高达”的风采，但身手却极为灵活。美国的飞船上都带有机械臂，第一代全部由加拿大制作的，受到了宇航员的一致好评，一直使用到飞船退役，进入了博物馆。
过硬的专业基础、极具前瞻性的研究思路，让刘立教授很快成为了这家公司第一个来自中国大陆的主设计师，负责多个空间、工业和医疗机器人控制系统的设计。也是在这里，他担当了Dextre双臂机器人前期在轨操作的技术负责人。
Dextre双臂机器人是目前唯一在太空运行的灵巧机械臂，双臂膀设计使它极其灵活，能帮助宇航员修补空间站，减少危险的出舱行走，目前已经成为维护和服务空间站的必须工具。它的工作内容诸如移除空间站表面的小部件等，对精度要求非常之高，研发难度巨大，竞争也极为激烈。
“对于空间站来讲，机器人是极为关键的。美国主持空间站势必会给自己国家的企业很多优惠条件，比如数据的传输频率都是比我们快的。所以最后能使用我们的机械臂，也是经过很大的努力争取到的。美国航天局有一个很严格的考核系统，让宇航员操作机械臂并给出评语。我们的灵巧臂中有一个关键，就是应用到力控制技术，比方你要插拔部件，只需要闭上眼睛推一下就可以了, 控制算法自动纠正偏差。所以，当时三个宇航员都给了我们最高评语，满分5分。”
在MDA公司任职的同时，刘立也在McMaster大学机械工程系以及电机和计算机工程系担任兼职教授，涉及到机器人，他几乎永远活力四射。“2008年3月，Dextre机械臂被送入太空 ，加入到原本就用在该空间站上的操作机器人Canadarm2上。在前期的时候，为了保证它的运行正常，我担任了技术支持的领导。在这个过程当中，也搞了些其他方面的研发，比方说医疗机器人。”
首先寻求帮助的是加拿大多伦多儿童医院，医生想要在小创伤底下做缝合，并保证微创面积不受损。刘立教授给样机设置了8个关节，很好地规避了风险。原来一个有经验的外科医生做手术，需要全神贯注地搜索受损器官做缝合。可是现在用了这个机器人以后，受损的器官被放大并显示在屏幕上, 医生只要手触触屏，这个机器人自己就可以到达创伤面。儿童医院的医生兴奋地感慨，梦想终于实现了。
除此以外，刘立教授参与设计的NeuroArm也受到了业界的集体瞩目。NeuroArm是专门针对神经外科设计的手术机器人，包括了神经外科医生在颅内需要做的所有操作。两个机械臂，每一个都有7个自由度，另外第三个臂有两个摄像头，可以提供立体影像。NeuroArm可以进行显微外科操作，包括活检、显微切开，剪开，钝性分离，钳夹，电凝，烧灼，牵引，清洁器械，吸引，缝合等。还可向术者提供触觉压力反馈。NeuroArm工作站也很独特，工作站尽可能地复制手术场面，提供听觉，视觉和触觉方面的感受。机器人传感器和核磁在显示屏上显示三维脑组织图像。NeuroArm滤除手部颤动。NeuroArm可在术前计划出手术边界，材料都能兼容核磁，能进行术中核磁扫描，机械臂由钛合金和聚合塑料制造，核磁图像扭曲很小。NeuroArm可进行立体定向手术，精确到达靶点。NeuroArm图像引导系统可虚拟现实，在术前模拟手术过程。目前NeuroArm2已应用于外科临床，正在市场化。
在旷日持久的技术攻坚战中，刘立教授一直以审慎扎实地态度面对自己的研究课题。在加拿大后期，他开始担当加拿大自然科学基金会机械方面的委员，审查一些基金申请。申请者中精英云集，包括斯坦福或者是美国一些名校的年轻人，他们的研发做得非常快，但却存在着一些浮躁的现象，有些研究并不是十分扎实，对科研前景的描述略显浮夸。刘立教授在委员会上评选的时候说：“你是做得很快，人也很聪明，但真正的创新是怎么产生的？只有你花了很多的功夫，对于系统融会贯通了才会产生真正的创新。”这正是来源于多年“摸爬滚打”中他对自身经验的感知和对未来的警醒。
赤子情怀，矢志报国
在事业蒸蒸日上的时候选择回国，让不少同行感到意外。但在了解刘立教授的人看来，这是极为自然的事情，家国情怀早已写入他的血脉。
刘立教授的父亲上世纪40年代毕业于麻省理工学院化工专业，在MIT取得了两个硕士学位，还担任过学校中国同学会的会长。回国之后，也曾在两个大学兼教，二战后，联合国委任他担当中国医药管理的主任。40年代的中国上海，通货膨胀愈演愈烈，行贿受贿、贪赃枉法等种种腐败现象蔓延成风。目睹着日益糜烂的社会风气，刘老先生十分痛心，而当1949年建国后，看到万象更新的新局面，他从心底里感到“中国人民站起来了”，索性将儿子的名字从刘健改为了刘立。他自己也积极投身中国的医药工业建设中，在50年代、60年代中国和国外相对隔绝的情况下，中国的西药包括所有的抗菌素、红霉素、土霉素也都形成了完整的体系，这与刘老先生的心血是难以隔离的。即使在“文革”时期受到了冲击，他最急切的愿望也是早一点回去工作，直到72岁，他还被评为化工部的优秀共产党员。
正所谓“虎父无犬子”，父亲的耳濡目染在少年刘立心中烙印下了深刻的爱国情结。作为新中国成长起来的第一代，这个早慧的少年，从小就坚定了知识报国的大志向，自初中进入北京四中开始，他每一年都能获得金质奖章。即使是在“文革”时期，在中国科技大学,他也将微积分和数学的讲义保存在身边，寻找一切机会学习。
在北京科技大学取得硕士学位之后，刘立教授得到了去加拿大继续深造的机会，上学、工作、兼职做教授，讲授控制和机器人方面的专业课程，也参与课题研究，他永远精力充沛、不知疲倦，因为在他心中，多一份积累，就意味着自己离报效祖国的机会又近了一步。回到国内进入北大任教后，他由衷地说：“在全世界范围内，包括美国，也包括加拿大，我们中国对于科技和研究的支持都是力度最大的，全世界第一。虽然我们还在摸索，但是在祖国的支持下，很多非常振奋的研究都将落地开花。”
另辟蹊径，我主沉浮
众所周知，在第一代机器人的世界级竞技中，我国无论产业的技术水平还是商业模式上都落后于美国、加拿大、日本等发达国家。那么，当机器人市场已经暗流涌动、作势改变世界的今天，我们是否还能找到“后来居上”的机会呢？在刘立教授看来，关键在于另辟蹊径：“2013年的时候，美国的智囊团曾经给政府提出过机器人方面的建议。目前的机器人，尤其是工业机器人，主要的生产厂家不在美国，而是在德国和日本，他们已经基本垄断了市场。于是智囊团就提出这时不是要盲目追赶德日的技术，而是要有创新。这与我们的研发思想是一样的。我们目前研发机器人，有一些机械的部件还不过关，那该怎么样把它做下去？除了做好关键部件，就要靠我们自己的控制技术，靠我们的理论搞第二代机器人。”
在了解第二代机器人之前，我们需要先了解一下目前第一代机器人的缺陷，以目前空间站的Dextre为例，虽然它能够帮宇航员完成不少工作，但和宇航员相比，它仍然缺乏控制能力，不能对突然冒出来的问题作出判断并找出解决之策。因此事实上，它目前的一个重要使命是帮助人们了解机器人在太空中的操作，以用于未来的探测工作。刘立教授说：“你如果看到现在工业机器人，它还是使用在自动线上，为了安全，一般工人是不能接近正在操作机器人的。而第二代机器人，会自主地完成任务。与此同时，有些事情是人能够做的、很灵活，尤其很精密地组装、操作柔性配件这些事情，如此,机器人坐在人旁边，机器人和人肩并肩一起配合完成工作。”
在控制领域的先天优势，让刘立教授的项目体系以最快速度搭建了起来。“我做了许多力控制研究，而现在我们看到的工业机器人，还是没有一个是力控制的，它只是在执行程序化、重复的东西。如果我们应用先进的控制理论，做好控制和机械的组合，就能把新一代的机器人做起来。目前，我们北京大学将成立一个天津机器人创新中心，以这个实验室为主的，联合了山大、哈工大的各位学者，协同创新，我们希望能够在一年时间里面走到最前面。”
项目启动之前，刘立教授对竞争对手进行了周密地分析。“德国的研究团队是在德国宇航局的支持下进行研发的，我们首先需要明确的是，哪些方面我们接近于它，哪些方面我们稍微领先。基于过去的竞赛，我们的控制方面比对方强，此外，德国仍然使用的是十年前的通信技术，而我们用的是最新的。在此基础上，我们要创造好的计算条件，比如快速通讯，搞FPGA，做计算的硬件实现。过去自动化使用专门的模拟机硬件，后来变成计算机，通用一点。现在再往下又要回到FPGA，真正做到平行计算，而不是让计算机算完一个部分再去计算另外一个部分。使用最新技术，就如同站在巨人的肩膀上，能够取得事半功倍的效果。”
除此之外，刘立教授还将目光投向了现代工业机器人走路机理上的弊端。“大家看到机器人的走路，比如日本的阿西木，你可以注意到，它走路也好跳舞也好，是与人的灵活性是没有办法相比的，此外耗能巨大。根据统计，如果同样的速度和时间，人消耗的能量如果是1的话，机器人阿西木消耗的则是人的15倍。所以我们也要改变机器人惯用的走路机理，其中，最主要的就是脚腕关节这个地方不可有转矩，有转矩就倒了，由于这种原因机器人的脚做的很大，不够灵活，我们团队中的几位成员使用非线性理论正在全力解决这个问题。”
结果导向，产品为王
经过反复的分析与论证，刘立教授进一步明确了未来的研究方向。他理想当中的第二代机器人，具有三大特征：
首先就是要做轻型机器人。目前日本和德国制造的机器人，为了保证它的频率，使用的机座都是铸铁、铸钢或者铸铝的。这样产生的弊端，是机器臂的负载不够实用，相当于很大一个人拿一点点东西。刘立教授希望能够制造出轻型臂，比如机械臂重为2，负载为1、或者1.5，争取能够做到1.1，拿到世界第一。
第二就是解决带宽问题，提升机器人的反应速度。就控制领域而言，反映快慢是带宽的体现。如果有人给机器人一个干扰，比如插拔产生一些误差，想要让机器人自己很快地校正过来，就需要有很高的带宽。
第三个特征就是要省能。日本的阿西木每一个关节上都有一个电机，这样耗能较高，如果一个机器人在斜坡走路，它可以主要部分倚靠自己的重力走下来，那么消耗的能量就和人差不多，这就可以大大节省能量。
工业机器人迎来了发展的春天，这可以从其销售量的变化管窥一斑。2013年全球共销售17.9万台工业机器人，同比上升了12%。其中，中国购买3.7万台，占全球工业机器人总销量的五分之一，远远超过日本和美国，成为全球最大的工业机器人购买国。而将轻型、快速、节能这三个关键词作为第二代机器人的注脚，源于刘立教授的产业构想。
“如果能够做出成果，我希望能够顺利实现产业化，中国与其他国家相比，具有更为广大的市场，我们的国家和社会很需要好的产品。相对安定的国内环境，也为市场驱动的提升奠定了基础。我们应该响应国家的号召，产学研结合，而不是写出论文就结束了。最近我们申报了4个项目，需要得到自然科学基金等各方面的支持。实验的课题很多，但我们还要选择能够有基础的进行突破。因为毕竟资金有限，我们要用最快的速度，用我们的长处打出水平来。选准方向，你理论上走在人家前面，你的结果才会走在人家前面。”
在新技术方兴未艾之时，高新技术产业竞争的本质上是一场国际竞技。此时，谁占领了技术的高地，谁就把控了时代的主旋律。在刘立教授及其团队的不懈努力之下，我们有理由相信，机器人2.0时代，我们将以中国为荣。
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