——记清华大学计算机科学与技术系教授孙富春及其团队

　　本刊记者  马丽娜  黄 健

　　
　　在过去不久的2017世界机器人大会上，人工智能领域的最新成果纷纷亮相，其中仿人灵巧手和数据手套颇受欢迎，参观者争相体验。
　　软体灵巧手通过气动控制方式，可以实现柔软地无损抓取、手势展示；仿人运动灵巧手，有22个自由度，通过肌腱运动方式，可以实现机械手的灵巧精细操作；多模态感知仿人指尖通过微视觉技术可以实现纹理和三维力的同时测量。仿人灵巧手系列为机器人末端的精细灵巧操作提供了多种类型的产品。
　　数据手套可以完整捕获人体手势动作信息，并通过这些信息来便捷控制机器人。该数据手套可以精细捕捉整个手臂和手指的加速度、速度、角速度、姿态、位置等运动信息，这些信息可以用于人机交互、手语识别和康复评估。
　　实现这些“智能”新成果的正是清华大学计算机系孙富春教授团队。多年来，孙富春带领团队专注于发展人工智能与机器人相关技术，在机器人视触觉感知、机器人抓取操作、机器人经验学习、人机交互学习等技术上取得突出成果，在国内外产生了重要影响，曾获“中国人工智能最高奖”——吴文俊人工智能科学技术创新奖一等奖。该团队在IROS2016的“机器人抓取与操作”国际比赛中一举夺冠，相关成果已经应用于生产线或物流线上的自动质量检验和智能分拣。
　　

挚爱
——执着于“智能机器人”

　　“我们需要承认，目前中国在机器人领域同欧美一些发达国家还有很大差距。但我们要骄傲地看到，在新一代机器人的环境感知技术、语音技术方面，中国有很多的优势。凭借这些技术引领的新一代机器人将使我们‘中国制造2025’战略在全球跨越式发展。”对于新一代机器人，孙富春满怀信心。
　　如今，新一代机器人在大数据、工业行业和服务行业中都已大有应用。新一代的机器人究竟是什么样的呢？
　　“过去，谈到仿生，多是在功能上的仿生，而未来应该是在机理上的仿生，能够实现人机共融的智能机器人。”孙富春表示，“新一代机器人，它首先应具有类人认知的能力。”由此可见，未来的机器人不仅有与环境的共生能力、更有自我进化、“自我意识”、类人认知和情感意识。要使机器人实现具有类人认知的能力，还必须依赖一定的技术，其中云计算和大数据技术必不可少。“我们用人脑长期学习积累的经验来实现机器人的控制，最后通过认知技术实现机器人的‘自我思维’，特别是目标识别、情感交互、语音处理、灵巧操作、大数据处理等。”
　　执着于人工智能和未来机器人研究，孙富春在这条路上争分夺秒，夜以继日，从未停歇。1998年，在清华大学计算机应用专业获得博士学位后，孙富春又继续攀登。2000年，他又在清华大学自动化系完成了博士后研究。历经清华园的芳华和春夏秋冬，在计算机科学与技术系工作至今已有16个年头。
　　早期，他带领团队在神经模糊智能控制理论方法以及导航与智能信息处理等方面取得了一系列独创性、系统性和前瞻性的研究成果。孙富春还负责研制了国内第一个柔性双臂空间机器人地面平台和面向在轨服务/空间科学实验的遥操作地面实验系统，在空间机器人抑振轨迹规划、协调控制和位置/力混合控制，以及协调遥操作体系结构、四端口双边控制与装置和自适应共享控制方面取得创新性成果。
　　这十几年来，在专业上的突出成绩和科研上的不断创新，让孙富春获得了2000年全国优秀博士论文奖，2001年国家“863”计划十五年先进个人，2003年韩国第十八届Choon-Gang国际学术奖一等奖第一名，2004年教育部新世纪人才奖，2006年国家杰出青年基金。在项目攻关研究中，更是创造了诸多佳绩，其中，2项成果获2010年教育部自然科学奖二等奖（排名第一）、2015年中国人工智能学会吴文俊科学技术奖创新类一等奖（排名第一）、2016年中国人工智能学会吴文俊科学技术奖进步奖一等奖（排名第二）。在多年科研中，孙富春还译书一部，编写专著两部，在国内外重要刊物发表或录用论文累计200余篇，其中在IEE、IEEE汇刊、Automatica等国际重要刊物发表论文100余篇。
　　

人工皮肤
——让机器“有感觉”

　　“智能科学的发展已进入到蓬勃发展时期，认知科学是人工智能下一阶段创新发展的源泉。”IBM公司在最近5in5的报告中指出，未来5年人类社会发展的5大技术就是视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉的应用。
　　尽管机器的计算速度提升比较快，但计算机的认知能力还非常落后，它的认知能力甚至不及一个3岁小孩。未来应该增强认知技术的发展，让机器人有感觉，有知觉。孙富春表示，“将来机器人会有更丰富的感知，比如人工皮肤、软体，机器人的手是温暖的，有感知的，知道和小孩牵手力气不要太大，否则他会痛。”?“新一代机器人有的方面已经比人做得更好了。”但尽管如此，在许多方面，新一代机器人还是不如人类。“机器人操作方面的灵巧度还不及一个刚出生的婴儿。”为什么这样？孙富春讲到，因为机器人灵巧手是用电机带动连杆进行操作，是骨头操作肌肉，很难像我们人手一样一手多能，通过肌肉灵巧操作许多工具。
　　如何让机器人具有灵巧操作的能力呢？孙富春说：“我们就要研究人脑，研究人脑的脑和手之间的神经运动系统的感知编码，研究它们是如何实现编码的以及操作的。”
　　通过近5年的埋头钻研，孙富春带领课题组成功创新性地研制出了国内第一款视触觉人工皮肤，以及视触觉认知传感手，相关成果获得第二届世界机器人大会创新奖，研究团队获得2016年在韩国召开的IROS自主操作的世界冠军，在智能“认知”领域取得重大突破。
　　通过研究人手的运动系统，使人工皮肤能像人手一样能够感受到触觉、滑觉、操作物体的表面纹理和温度。“我们希望这个机械手是肌肉控制，这款机器人没有电机，另外还有软体结构技术应用在机器人上面。提出新的算法实现了视觉信息和触觉信息的编码、融合和操作物体的识别。” 
　　“智能化，将成为机器人产业的升级方向。”孙富春正带领团队以类脑计算与认知为发展方向，发挥技术优势助力机器人的智能化发展。团队以当前数据手套、智能灵巧手、智能移动平台为发展基础，结合技术优势推动智能机器人时代到来。
　　

驾驶脑
——助力“无人驾驶”

　　“如果有一天你坐在车里面，没有驾驶员，或者驾驶员没有把握方向盘，千万不要震惊，因为我们已经进入了一个无人驾驶时代。”孙富春说道。
　　2016年8月，全球人工智能与机器人峰会（CCF-GAIR）在深圳如期开展。在智能驾驶专场，孙富春带来了国家自然科学基金委员会重大研究计划视听觉信息委员会的“8年计划”。据介绍，该项目经过了8年论证到2008年才在国家自然基金委成立的“视听觉认知计算”重大项目立项。“这是8年抗战，5年的解放战争和3年抗美援朝。”孙富春感慨，“走到今天，每一个参与者都全力以赴，贡献出自己最大的力量，这一路要感谢的人太多。”
　　从2008年到2017年，也是整整8年时间。在这8年里，孙富春在专家组郑南宁院士、李德毅院士和陈霖院士的带领下，以研究人类视听觉的认知机理为目标，发展新的高效计算模型，提高计算机与人视听觉感知相关的图像、雷达等信息的理解能力和处理效率，围绕认知过程的表达与计算的基本科学问题深入探究,和专家组一道研制出了“驾驶脑”，提高了“无人驾驶”的性能。
　　结合李德毅院士提出的驾驶脑，助力清华猛狮智能车队多次名列中国未来智能车挑战赛的前茅。这8年时间里，孙富春及其团队倾注于人对视听触觉感知的研究。在视听觉信息认知问题的基本理论及其应用方面，孙富春及其团队成员张新钰等，以人类驾驶员的驾驶认知为中心，将感知、认知、行动和执行进行形式化，应用到清华猛狮智能车，并被业界所认可，包括京东、百度、奇瑞的相关智能驾驶产品。
　　

视听觉
——为盲人打开另一扇窗

　　我们可以快速在人群里找到熟悉的朋友，有人驾驶汽车也可以在任意复杂的环境里进行驰骋这些都得益于人类特别擅长处理跨模态的信息，能快速有效地把视觉、触觉、听觉通力合作。而为什么人类能有这么强大的能力？这正是孙富春要深究的问题。“视听觉认知的指导思想就是要研究人对视听觉的感知。”
　　“我们人类获取外界的80%的信息是来自视觉，我们皮层的60%都是跟视觉相关的。”孙富春介绍。我们常说，眼睛是心灵的窗户，但生活中却有很多人因先天或后天的某些因素，这扇“窗户”并没有被打开。
　　作为“视听觉信息的认知计算”指导专家组组员之一，孙富春表示：“近年的研究发现，利用视觉和触觉的同构性，人们可以通过人工摄像机把视觉编码变成触觉编码，让盲人感受到真正色彩缤纷的世界。”大家都知道，盲人的触觉总是优于常人，而触觉编码便可充分利用他们触觉的灵敏性，从而实现“视觉”的功能，这一发现无疑为他们打开了另一扇窗，拥有属于自己的“眼睛”。
　　近几年，人工视网膜的研究取得了一定的进展。2017年，日本研究人员最新发明了一种电子人工视网膜，临床试验中给因视网膜色素变性而失明的患者植入这种人工视网膜后，患者的视力成功得到一定程度的恢复。
　　

工匠精神
——做“接地气”的人工智能

　　“我觉得下一代机器人可包括服务机器人、特种机器人。服务机器人需要解决的问题是非结构环境下的灵巧操作。服务机器人包括家庭机器人、医疗机器人、康复机器人，首先要解决人机交互的问题，包括语音交互、人机安全问题等。”对于未来机器人，孙富春充满期待，就像电影《人工智能》中描述的那样“未来的机器人不仅有可以乱真的人类外表，而且还能像人类一样能够感知自己的存在。这个小机器人跟人生活在一起，它一直渴望自己有一天能够变成一个真正的人。”这也正是未来人工智能的样子。
　　同时，孙富春也敏锐地看到了近年来我国园艺产业潜在的市场。“随着智能化技术的发展与成熟，新一代除草机产品替代旧一代除草机产品是科技发展的必然。”据孙富春介绍，“智能化的除草模式完全满足了人们没有时间或者不愿意对草坪进行护理的问题。与传统除草机相反，智能除草机器人在程序设定后能够独立自主进行除草作业，无须人为参与。它不再使用汽柴油作为能源，而是使用电能，环保卫生。作业噪声小，不会造成噪声污染。在电量低时它能够自主充电，真正实现了无人式操作智能化。”
　　尽管我国的机器人发展速度有目共睹，但在中高端机器人方面，孙富春说我国进步还是比较慢，主要技术仍然由国外公司垄断。这就需要我们有一批能够扎根在第一线，真正能做事的科学家。“做接地气的科学家，不需要夸夸其谈，我们需要的是工匠精神。”孙富春直言，“首先从自我做起，脚踏实地。”大国，需要工匠，更需要工匠精神。孙富春说：“未来的很多工作瞄准了产业化和市场，力争为国家的产业转型和经济发展，尽自己一点微薄之力。”
　　

薪火相传
——为祖国培养栋梁之材

　　薪火不熄，代代相传。责任，这对孙富春来说不仅是一种压力，更多的是一种动力。国家多年的培养，让他丝毫不敢懈怠，言传身教，为祖国培养了一批批栋梁之材；身为一名科研工作者又让他身兼重负，“要做老百姓真正用得上、真正需要的东西。”他说：“要为国家培养有用的人才。我们要培养的学生，要让国家用得上，市场用得上，公司用得上，要培养一些接地气的学生和人才来为社会服务，真正为国家培养一些在机器人方面能够引领潮流的学生。”
　　孙富春一直强调，教书育人是教师的天职。在高等院校，老师承担了很多科研任务，而结合这些前沿科研任务培养一流的人才一直是孙富春的工作核心。10余年来，孙教授培养了多名博士与硕士研究生，他们走向工作岗位后更是做出了出色成绩。楚中毅，自哈尔滨工业大学获得博士学位后已在北京工作，在孙富春的感召下，辞去工作决定从事博士后研究。出站后的他进入了北京航空航天大学工作，在一系列重大项目中做出了重要贡献，获得了多项奖励。许斌，在孙富春指导下完成博士学业后赴新加坡开展合作研究，发表了多篇高水平学术论文，其中有10多篇论文成为ESI高被引论文。两人目前均已成长为自动控制领域的知名教授。许斌还获得了国家自然科学基金优秀青年基金资助，研究工作引起了广泛关注。罗敏楠，在孙富春教授指导下开展稀疏模糊建模的研究工作，在领域的顶级期刊发表了多篇文章，目前已在西安交通大学担任副教授。黄文炳，在校期间就在人工智能领域的顶级会议上发表多篇学术论文，目前在腾讯研究院担任重要职位。二人之前都是数学专业，后都在孙富春的引领下成为人工智能领域的知名学者。此外，还有很多学生都在不同的工作岗位上做出了出色成绩，而这些正是得益于孙富春的指导、严格训练与志趣培养。
　　“月光如流水一般，静静地泻在这一片叶子和花上”伴着朱自清先生的《荷塘月色》，入耳而来的是浑厚而富有磁性的声音。而其朗读者正是孙富春，他声情并茂，专注投入，仿佛“朗读”这件事也是他的终生事业一样。他总是诗情满溢，眉宇间，言辞中，都彰显着诗人般的气质。对于人工智能，孙富春也曾寄诗表达对未来机器人发展的自信和期待之情——“人机仿造胜奴仆，亲我劳耕续史书”。能诗能歌，用“富才华的人工智能专家”来形容孙富春再恰当不过。
　　爱好和事业一样都不能少，因为在孙富春看来，歌唱能表达自己对生活的热情，而朗诵又能抒发其胸臆和正气。在未来的道路上，诗情才华兼备的孙富春，秉承着他心中的工匠精神，在人工智能领域继续躬耕前行。
　　
　　
　　
专家简介：
　　
　　孙富春，1998年在清华大学计算机应用专业获博士学位；2000年清华大学自动化系博士后出站。现为清华大学计算机科学与技术系教授，博士生导师，清华大学学术委员会委员，计算机科学与技术系学术委员会主任，智能技术与系统国家重点实验室常务副主任。兼任国家自然基金委重大研究计划“视听觉信息的认知计算”指导专家组成员，中国人工智能学会认知系统与信息处理专业委员会主任，中国自动化学会认知计算与系统专业委员会主任，IEEE Trans.on Fuzzy Systems、IEEE Trans.on Systems、Man and Cybernetics: Systems、Mechatronics等国际刊物副主编或领域主编以及多本国际刊物和国内刊物编委。