牛顿由一个苹果，发现万有引力定律。瓦特发明蒸汽机，灵感来自一锅沸腾的水。许多重大的科学发现，往往来自再平凡不过的地方。只有执著于科学的人，才能在极其平常的事物中，完成举世瞩目的发现。这也是伟大与平凡的分水岭。　　　　——题记
　　

平凡里开拓的不凡路

——访天津大学教授、变胞机构理论创始人戴建生

本刊记者　王 辉

　　
　　小时候看科幻片，那神奇的机器人的形象至今记忆如新。我们都希望在某个时候，机器人也能够拥有象人类一样灵巧的手。如今，这个理想正在逐渐变成现实。变胞机构的发明，使机器人的手能够自由完成各种复杂的工作。最近，本刊记者采访了变胞机构理论的创始人，天津大学中英欧机构学与机器人学中心（SEMAR）主任戴建生教授。
　　戴建生教授长期从事机构学及机器人学研究工作，研究变胞机构和可重构机构的工作。他开辟了国际机构学和机器人学研究的新方向和新领域，在机构学及机器人学领域取得了丰硕的研究成果，对国际机构学和机器人学学术界产生了重要的影响和引领作用，享有很高的国际声誉。
　　
走进神奇的变胞世界
　　
　　变胞机构是戴建生教授于1998年首次提出的，目前已成为机构学领域的研究热点之一。1999年，戴建生教授与张启先院士一起将变胞机构的研究引入中国。二人借鉴生物学中细胞组合，变形和再生的类似现象，将其中文名称命名为“变胞机构”。经过国内外机构学者十余年的研究，变胞机构的研究取得了丰硕的成果，开辟了机构学研究的一个新方向——机构的可重构性，并衍伸到可重构机器人，变胞机构学成为了机构学的一个独立分支，形成了变胞机构学的理论体系，变胞机构的实际应用也取得了初步成果。
　　什么是“变胞机构”呢？记者见到这样一个的定义：在机构连续运行中，由有效杆件数目变化或运动副类型或其几何关系变化引起的机构的拓扑变化，并导致机构活动度变化；在机构连续运行中，至少有一次活动度变化，并在活动度变化后，机构仍保持运行，这样的机构称为变胞机构。
　　见到这个定义，记者一头的雾水。从字面上就看不懂其中的含义，更不要说弄清楚它的原理了。似乎早就预料到记者会迷惑不解，戴教授通俗地给我们做了解释，所谓“变胞”机构或机器人，就像一部变形金刚。不同于传统机构只具有单一功能，而是具有变换自由度与工作空间的特点，通过机构的不同组合与内在关联的变更得以“变形”，每一次“变形”都可以实现不同的功能，“原本需要多台机器完成的工作可以集中在一台机器上完成，能够更好地适应不同工况需求，进而节约能源，节省制造时间；同时，采用可重构技术和理论，可以使机器人更加灵巧，以可重构机器人为基础开发的服务机器人将可运用于医疗、家政、航天与生产装备制造等广泛领域。”
　　戴教授给我们现场演示了他们研制的变胞机械手的工作状况。这已经是戴教授研制的第四代机械手了，实现了仿人手的功能。最初的时候，他们研制出来的是二代机械手，只有三个手指，结构比较简单。而第四代机械手就复杂得多了，基本上是仿人手了。当然，从二代到四代，这个过程充满了艰辛，人手能够轻而易举完成的动作，机械手模仿起来，就需要大量的高科技手段给予支撑。戴教授带领他的团队，从二代机械手做起，历经了十年时间，才达到了现在四代机械手的水平。这些成果的取得，是天津大学和国王学院联合的结果，因此，他们把机械手命名为“天王手”。这是一个非常有趣的名字，既表现了成果的出处，也暗示了它功能的强大。
　　戴教授领着记者来到了一个房间，这里安放着几台机械手臂的装置，既有他们自己研制的，也有引进国外同行研制的机械手臂原型。
　　记者问道，“我们的机械手臂的研究，是建立在国外研究成果的基础之上的吗？”
　　戴教授说，变胞理论与国内外同行研究是截然不同的思路。国内外同行们主要研究的是手指的灵巧度，而戴教授的团队在研究手指的同时也研究手掌的可活动性。我们研究的机械手由于手掌中心的这个机构环链，就会象人的手掌一样，手掌与手指都能活动。这样的结构，用在一些精细操作的用途上，它的强大功能就会显示出来。可以完成别的机械手无法完成的诸如捏、搓、转动物体等高难度动作。
　　戴教授又兴致勃勃地给我们演示了他们发明的变胞爬行机械人。变胞爬行机械人利用了变胞手的原理，增加了腰部的自由度，实现机械人在复杂环境下的自由行走。这个装置可以用于灾难现场，深入到废墟当中进行检测、搜索等工作，或者深入到狭窄的井下进行作业。将来还可以用在月球车上，实现月球上面复杂地形的自由行走。
　　
折纸引发的思维革命
　　
　　究竟是什么原因激发了戴教授的灵感，产生了这样灵巧的构思呢？戴教授说，他开始这方面的研究，最早可以追溯到1996年，起源于应用多指手进行装潢式礼品纸盒包装的研究。那时候戴教授与联合利华合作，搞化妆品包装盒的自动化生产装备的研发。戴教授就是 这样戏剧性地从折纸开始了他的变胞机构的研究。其实，要搞一个包装盒的生产线是很容易的，但是，他思索的是从根本上解决企业生产面临的新问题。
　　那么，企业生产面临的是什么样的新问题呢？戴教授指着一张图片说，你们看这些巧克力包装盒，很漂亮，但是几个月以后，消费者的新鲜感就会减退，需要换新的包装盒。这是新的时代市场的新变化。为了适应人的需求的个性化趋势，生产也要朝着小批量、多品种的方向发展。传统的大批量，无变化的生产线已经无法适应，因为小批量地生产会导致模具与机器尺寸频繁地更换，大大增加企业的成本。而手工生产又面临着产量低、废品率高等一系列问题。因此，建立一种适应现代生产特点的全新的自动化生产线势在必行。
　　就是在这样一个背景下，戴建生教授开始这方面的研究工作。他决定找出纸盒生产的最深层次的工作机理，能对完成类似的自动化生产有指导意义。
　　成功来自于百分之九十九的汗水加上一分的灵感。戴教授对这句话体会得最深刻。他在无数次地折纸盒的过程中，在不断地重复拆开拼装纸盒的动作中，偶然间头脑里闪过一个念头：能不能用数学的方式把它描述下来。他抓住了霎间闪过脑海的灵感，仿佛打开了一扇门，他的眼前豁然开朗。先设法用数学的方法描述这些包装盒，把盒子的结构变成数学概念，然后再映射到各种机构，也就是说，通过盒子的概念出发再去研制出相应的机构。思路打开了，问题就已经解决了一半，剩下的就是如何实现的问题与进一步完善的事情了解——他终于找到了通往成功的钥匙。
　　1998年，戴教授第一次提出了变胞机构，那时候的他，还没有意识到，自己开辟了机构学的一个新天地。
　　最早的研究成果是在球面五杆机构中的三个杆件上各安装一个机械手指，这样就开发出了第一代机械手，当然是很粗糙的。后来逐渐升级进化，从最早的可伸缩到拓扑，到后来的变胞和可重构。真正的突破来自于第二代机械手的研制成功。第二代机械手的手掌是一个环状结构，这个结构设计为仿真手的研制打开了广阔的空间。2005年，二代机械手的技术走向成熟，申请了专利。值得指出的是，这些成果的取得，是在资金投入很少的情况下取得的。戴教授不无遗憾地说，我们的很多的研究课题，对国家经济社会发展有着非常重大的意义，但是由于缺乏专项资金，致使研究进展缓慢。变胞机械手的课题，也只是由课题经费在支撑，如果有专项资金的话，或者有企业参与，资金充足，我们的步子还可以迈得更快一些。我们呼吁相关部门加大对基础工具、基础科学研究的支持力度，只有这样，企业的发展才能获得科技进步的有力支撑，传统产业升级换代才能顺利实现，国家经济发展方式调整才能顺利完成。
　　戴教授为我们描绘了变胞机械手的美好前景，如果资金充足的话，利用两到三年的时间，机械手的成品就会面世，可以先投放到各大学的相关研究单位，用作机械手的控制研究的平台，专门研究开发机械手臂的各种动作的控制软件。再过一两年，就会实际应用到航天、医疗等精细操作的领域，或者应用到排险、排雷、救火、抢险、抗震救灾、生产条件恶劣的工矿企业等危险的环境中去。然后再经过几年的发展，就可以研制成假肢手。现在航天工业已经用到了一些机械臂，比如航天飞机、太空船上的操作臂已经十分完善了。在此基础上，可以加装机械手，代替人完成更加复杂的操作。
　　
一花引来百花开
　　
　　变胞机构的实际应用价值在于可以用一条生产线完成以往多条生产线才能完成的工作。一台机器被赋予了更多的功能，可以做多台机器来用。正因为如此，变胞机构理论一经提出，立刻显示出强大的影响力，吸引了世界各国的科学家们参与其中。国内外的学者，共同推动了这一新的理论的不断完善与应用的领域的拓展，并开展了充分的学术交流。
　　2012年7月9日，由天津大学，伦敦大学国王学院，美国机械工程师学会(ASME)，美国电气和电子工程师协会(IEEE)，国际机构学和机器科学联合会(IFToMM)以及国家自然科学基金委员会(NSFC)共同主办的第二届ASME/IFToMM可重构机构与机器人国际大会在天津天宇大酒店开幕，来自美国、英国、法国、德国、西班牙、意大利、日本、墨西哥、希腊和中国等15个国家和地区的140余位机构学与机器人学专家、中青年学者齐聚津门。这是继戴教授2009的第一届可重构机构与机器人国际大会后的又一次盛会。会议期间，10余名全球机构学与机器人学领军人士，120余位来自斯坦福大学、约翰—霍普金斯大学、卡内基—梅隆大学、帝国理工大学、清华大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、天津大学、大连理工大学等国内外著名高校的机构学与机器人学专家参加相关主题论坛并听取专题报告，交流各自研究的最新成果。戴教授长期不懈的研究，一丝不苟的精神使他赢得国际盛誉。除了2006年被授予英国机械工程院Fellow，2011年被授予美国机械工程师学会Fellow外，他在2012年被邀请作为第36届ASME机构学与机器人学国际大会的大会主席。这是这一有60年历史的国际大会序列中，首位由非美国人担任的大会主席。
　　戴教授领着记者参观了正组建中的国际中心，全名叫“中英欧机构学与机器人学研究中心”。经过几年的努力，现在已经进入到实际操作的阶段。吸引了多位来自国内外的著名专家的访问与加盟。他们当中，有在可重构机器人中可展机构基础设计理论研究方面获突出成果的“国家青年千人”，有来自意大利、美国等发达国家科研机构的领军人物。戴教授说，现在，每年都有国外著名学者来这里交流，比如欧洲著名的学者，经常来这里讲课。讲得很生动，很受学生欢迎。
　　积极的学术交流与合作有利于取得丰硕的成果。戴教授给我们介绍了最近研究进展情况。包括最新型号的变胞手，正在开展两种用途的研究。一是用于牛肉加工处理，现在正在进行工厂试验。另一个是极端环境下的应用，可以用于抢险救灾和航天事业。
　　从这次访问，我们期待着，戴教授带领他的团队，在机构学与机器人学及其应用领域取得更大的成就。