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张进华:探寻“以柔克刚”的软体机器人之谜

来源:  发布时间:2022-06-27

苏寒山

 

 

1959年第一台工业机器人诞生以来,科学家就一直痴迷于机器人的设计与幻想。不过,机器人的出现是为了协助或替代人类进行更好的工作,现在大多数的机器人仍然是硬邦邦的“硬汉”。对于机器人来说,“硬”还是“软”的选择是近年来才出现的一个问题。人类正在不断扩展自己的想象力和创造力,开发出软萌如“大白”的机器人,这种利用柔性材料来制作的机器人,被称为软体机器人。

当前,这一研究正在学术界如火如荼地进行着,西安交通大学机械工程学院教授张进华正在努力开发一种高性能的软体机器人,希望能在医学、军事、探测、工业等领域得到更多的应用。他说:“目前,软体机器人的发展还不能完全替代刚性机器人,刚柔并济、软硬兼备也许是机器人发展的一个重要方向。两者缺一不可,我们还要继续努力。”

 

最好的安排:选择机械

 

张进华高考的那一年,恰逢西安交通大学100周年校庆,铺天盖地的校庆宣传活动,让远在山东的他知道了西北有一所历史悠久、底蕴深厚的百年名校。而西安交通大学的机械工程学科更是在全国名列前茅,于是张进华几乎没有犹豫地选择了它。“我出身于农村,本来是想本科毕业之后直接工作的。”张进华坦言人生总是会有很多的意外,成绩优秀的他在本科毕业时顺利保研。读研之后,张进华对科研的兴趣越发强烈,他凭借硕士期间的优秀成绩留校工作。

“留校之后,每天忙着科研和教学的同时深刻意识到攻读博士学位的重要性。”西安交通大学良好的学科氛围和身边老师给予的帮助让张进华选择在本校在职读博。“十几年的时间转瞬即逝,西交大就和我的家一样,我对学校有依赖感,想继续留在这儿工作。”博士毕业后,已为科研工作做好知识储备的张进华正式在母校开始了新兴与传统不断碰撞的科研道路。

 

未来的福音:康复软体手

 

据不完全统计,2016年全球新增中风病人1370万,仅中国就占了40%,其中大部分人在病发后失去了手部功能。传统的治疗手段主要依靠康复医师辅助患者进行关节活动和肌力训练,但其训练效果受医生经验和业务水平及训练时间等因素的影响。因此有很多研究者研发了相关的康复机器人辅助患者训练以重新获取肢体的运动机能。

“康复师在康复过程中会和病人进行交流,来激发病人的主动康复意识,但是目前的机器人还做不到人机交互。”张进华说,面对这种情况,科研人员提出了一种叫“脑机接口”的解决方案:人体正常的神经通路,是从大脑发出一个神经信号之后,通过神经元传到肌肉带动骨骼进行运动,但是病人中风之后神经信号无法传导到肌肉,所以从外部接一个通路,如戴脑电帽,把病人的脑电信号提取出来,判断病人的运动意图,再转化为机器人的命令。“这样的解决办法有两个好处:一是让病人有主动的运动意愿,达到主动康复的效果;二是中风的病人更多的是肢体不能运动,通过识别病人主动的肢体运动意图,然后控制机器人辅助患者进行运动,达到主被动结合的康复效果。”

张进华将脑机接口康复技术的原理与软体技术进行结合,以此开发出康复软体机器人。目前在市场上,辅助康复的刚性机器人比较多,但是刚性机器人力量比较大,碰上中风病人痉挛的时候,可能对病人造成损伤。而软体机器人虽然力量较小,但是依然能够带动病人的胳膊或者手去运动,即使病人出现痉挛的情况,由于它本身是软性材料,也不会对病人造成伤害。

张进华和团队已成功研制出基于正负气压驱动的软体康复手。这一气动软体康复手仅有149克,采用开放式手套,通过欠驱动可以辅助手指实现伸展或屈曲运动和拇指的内收或外展运动的主动训练。“我们和第四军医大学、北京清华长庚医院的康复科都有交流,通过了解他们康复科的需求,进一步完善我们的软体康复手。”张进华说。

将软体技术应用于脑机接口康复技术,打破了康复机器人都是刚性机器人的传统思路,软体机器人可以充分利用其自身的柔顺性、非线性、粘弹性和迟滞特性,降低控制的复杂度,实现高灵活性、强适应性和良好交互性,未来在医疗康复领域有重要应用价值。“未来老龄化社会,中风的人会越来越多,术后康复市场也有大的需求,但是康复机构数量少、规模小,成本也比较高。”张进华说,软体康复手主要是面对个人,体积较轻、成本低廉、控制精度高、穿戴舒适、安全便携,能够适应不同治疗阶段的需求,完成基本的康复动作,提高患者的康复效率。在中风病人度过危险期后,患者可以借助软体康复手在家进行自我康复,减轻康复训练成本。用“温暖”的软体康复手替代以往“冷酷”的刚性康复机器人,既节约了成本,又能给患者带去更多的人性关怀。

 

以柔克刚:软体仿生

 

除了研究康复机器人,软体机器人研究领域最前沿的研究方向之一就是软体仿生机器人。一次偶然的学术交流,让张进华注意到了软体仿生机器人这一新兴的研究领域。他在与香港中文大学王煜教授交流的过程中,聊到毛毛虫的仿生结构时突然有了灵感。

张进华发现了一种叫尺蠖的无脊椎动物,长得和毛毛虫类似。尺蠖的身体可以弯曲、扭曲、褶皱,同时能够利用动态静水力学改变身体张力实现身体悬臂,通过肌肉的收缩和腹足的配合实现爬行,可在粗糙的树干、树叶、地面、草地上等复杂环境里完成灵活的运动,并且在爬行过程中,可以使其接触环境保持稳定不晃动,保障了其运动的稳定性和安全性,同时还具有扑食猎物的本领。因此,在张进华看来尺蠖是一种非常理想的软体机器人仿生对象。

“尺蠖的运动虽然很复杂,但是尺蠖的神经却非常简单,它采用柔性静水骨骼代替了脊椎动物体内的刚性骨骼组织,并利用肌肉的生物智能,实现了复杂非结构环境下的高自由度的空间运动,大大促进了其运动的多样性。”因此,张进华想借鉴尺蠖的神经控制机理,为软体机器人的控制提供新的途径。根据以上的研究发现,张进华申请到了国家自然科学基金面上项目——“基于尺蠖肌肉生物智能的软体机器人自适应低维控制研究”。

除此之外,张进华还主持了关于仿生鱼的国家自然科学基金重大研究计划培育项目——“软体波动推进机器人复杂形态计算与优化设计研究”和国家自然科学基金面上项目——“基于柔性被动自由度感知增强的仿蝠鲼机器鱼协调控制研究”。在这两个项目中,他研究的对象是海洋中的软骨鱼类,其中蝠鲼和魟鱼凭借其独特的身体结构和高效的运动能力,已成为水下自主式航行器的主要仿生对象。

蝠鲼和魟鱼身体扁平,柔软的胸鳍分布于身体两侧。在游动过程中,通过两侧胸鳍有节律的拍动或波动变形推动身体运动,可完成巡游、转弯、起、停以及姿态保持的游动推进动作,有着高游动效率和高速转向的能力。在张进华看来,如果尺蠖可以看作一个一维的梁单元,那么蝠鲼和魟鱼则属于一个二维的软体单元。因为蝠鲼和魟鱼都是具有无限自由度的连续体,它们通过自己的主动或者被动变形与周围环境相互作用,从而完成自身的运动需求,充分发挥它们的形态学计算(Morphological Computation)能力。

张进华首先从仿生的角度了解到生物主动变形和被动变形的几何层面的“形”,再进一步了解到生物的刚度分布与主动变化的物理层面的“态”,最终通过几何和物理层面的“形-态”深度仿生为软体机器人设计提供新的思路。

 

探索不息:传统轴承

 

在进行软体机器人仿生研究的同时,张进华也对传统滚动轴承技术有深度的研究。新兴的软体机器人、人机交互研究和传统的滚动轴承技术研究尽管看上去风马牛不相及,但在张进华眼中却是一脉相承。

从外形上看,软体机器人和滚动的轴承技术并没有什么关联。但是张进华从内部建模入手,发现滚动轴承是一个典型的多体动力学模型,多个组件一起运动。而尺蠖也是利用很多肌肉进行分布式驱动,是一个偏柔性的多体动力学模型,在机理上有相通的地方。

“这两年国家的高铁建设发展很快,高铁列车的核心技术已经实现完全自主化生产,但关键零部件如高铁轴承还是需要依靠进口。”国家对关键轴承技术的迫切需求,是张进华及其团队一直致力于轴承技术理论分析和研究的主要原因。

在轴承研究上,张进华遭遇了不少挫折。他发现,滚动轴承内部空间非常狭小,现有的测量手段很难在线测试其内部的状态。其次由于滚动轴承的运动比较复杂,它的各种摩擦力和接触状态也十分复杂,建模计算时有很多系数需要进行选择,但到底应该怎么选,目前只能通过经验来选,这些系数背后的机理却难以厘清。“这可能是当时对我来说最大的挫折了。”张进华意识到书本上的理论虽然说得头头是道,但是对现实中如何指导轴承的设计还存在不小的差距。

“我们不知道的事情实在是太多了,这也是我坚持做轴承的一个原因。”目前张进华的同事在做的工作是通过红外线或者激光的方式,使用特殊材料,放到轴承内部,当其温度发生变化的时候,激光的波长就会发生改变,这种非接触的测量方式可以为他们揭示轴承内部温度的变化。张进华还表示,下一步想尝试用超声波的方式来检测轴承内部润滑油的变化,他们仍然在探索的路上。

 

最大的挑战:坚持最难

 

作为一名科研工作者,张进华的生活总是和科研分不开。虽然工作忙碌,但是大学相对弹性的工作时间让他能更有针对性地处理家庭和工作上的事情。忙碌的工作之余,张进华最爱去篮球场上挥洒汗水,“打篮球是上大学之后唯一一个坚持下来的运动,以后也要继续坚持下去”。张进华觉得运动是非常重要的事情,在球场上的时刻,他不用考虑生活和科研的事情,只是纯粹地去运动,在出过一身汗后,释放掉一些多余的压力。

十余年的科研经历让张进华知道,前行的道路上总能遇到无法预知的难题,最困难的不是遇到解决不了的难题,而是遇到难题之后能不能坚持下去,坚持之后能不能找到解决办法,这才是最大的挑战。“比如我们现在做软体,智能材料、驱动材料是制约其发展的最大问题。”软体仿生用到的硅胶材料和生物原本的材质相差很大,如何解决呢?张进华说他们通过改变硅胶材料的结构,模拟生物肌肉的特性,尽可能地做到相似,再设计实验进行测试,通过相关的研究结果再进行不断的改进。

张进华自嘲自己有点“受虐”体质,很多时候他不希望研究一步到位,而是希望能够在研究过程中遇到新问题,这样更能激发他的科研兴趣。“只有发现新的问题才会激励你不停地去学习。”正是在解决新问题的过程中带来的愉悦感和成就感,促使张进华在科研道路上不断往前迈进。

对未来,张进华有着非常清晰的规划。短期内的目标是把研发出来的软体康复手全面推广到医院的康复科去使用,从实验室走向产业化。“我这一辈子,就是希望自己研发出来的产品,哪怕只有一个,只要它能够真正在日常生活中得到应用,那就是我最有成就感的事情了。”在我国制造业水平不断提升的当下,软体机器人的研发将进入快速增长期,极有可能成为中国下一个经济增长点,张进华相信,软体机器人的研究也将大有可为。

(责编:苏寒山)


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2022年7月

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