雷鋒網(wǎng) AI 科技評(píng)論按：《西部世界》第二季正在熱映，劇中，科學(xué)家制造的仿生接待員不管說(shuō)話還是動(dòng)作都與人無(wú)異，更為恐怖的是，它們甚至擁有了自我意識(shí)。

從劇中延續(xù)到現(xiàn)實(shí)，今年五月，波士頓動(dòng)力公司展示了雙足機(jī)器人 Atlas 的最新進(jìn)展，視頻中，Atlas 不僅可以在戶外環(huán)境下自由奔跑，而且能自主跨越障礙物。雖然 Atlas 進(jìn)步很大，但不可否認(rèn)的是，與《西部世界》中高度智能化的接待員相比，Atlas 就像一個(gè)剛出生的嬰兒。

圖：Atlas 跨越障礙物

目前，學(xué)界對(duì)仿生機(jī)器人的研究到了哪一階段？在仿生機(jī)器人研究中，到底存在什么難點(diǎn)？與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)有哪些較為領(lǐng)先的研究課題？圍繞這一系列疑問(wèn)，雷鋒網(wǎng) AI 科技評(píng)論對(duì)普渡大學(xué)副教授、普渡大學(xué) Bio-Robotics Lab 實(shí)驗(yàn)室（主要研究生物的運(yùn)動(dòng)機(jī)理以及仿生機(jī)器人）負(fù)責(zé)人鄧新燕進(jìn)行了一次專(zhuān)訪。

據(jù)鄧新燕介紹，仿生機(jī)器人是一個(gè)多學(xué)科課題，涉及領(lǐng)域有材料、機(jī)電、控制、設(shè)計(jì)、力學(xué)，此外還要跟生物學(xué)研究相結(jié)合，比如生物的感知和運(yùn)動(dòng)控制。他們的研究對(duì)象主要是飛行類(lèi)昆蟲(chóng)和鳥(niǎo)類(lèi)，如蜂鳥(niǎo)、斑馬雀、飛蛾、蜜蜂、蒼蠅、果蠅等等，研究課題圍繞撲翼飛行的飛行控制原理和非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)展開(kāi)，此外，他們的研究還涉及仿生魚(yú)，另外也有將 AI 與仿生機(jī)器人結(jié)合的相關(guān)研究。

在 6 月 29 日至 7 月 1 日于深圳舉辦的 CCF-GAIR 2018 上，鄧教授將作為仿生機(jī)器人專(zhuān)場(chǎng)主席蒞臨大會(huì)，邀請(qǐng)并組織多位國(guó)內(nèi)外仿生機(jī)器人學(xué)的權(quán)威嘉賓做報(bào)告及演講。

以下為采訪原文：

1. 生物運(yùn)動(dòng)機(jī)理的研究對(duì)仿生機(jī)器人的研究有何促進(jìn)作用？如何將生物運(yùn)動(dòng)機(jī)理的研究應(yīng)用到仿生機(jī)器人研究中？

答：研究生物的運(yùn)動(dòng)機(jī)理可以為仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)和行動(dòng)控制起到指導(dǎo)作用。比如，生物的翅膀撲動(dòng)軌跡是有一定規(guī)律的，通過(guò)提取這些規(guī)律可以告訴我們那些因素會(huì)影響翅膀上產(chǎn)生的瞬時(shí)和平均升力，那些參數(shù)的變化可以實(shí)現(xiàn)特定的飛行控制比如懸停、前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、或加速。

應(yīng)用的時(shí)候需要注意的是，仿生機(jī)器人是把從生物的運(yùn)動(dòng)機(jī)理中得到啟發(fā)設(shè)計(jì)到機(jī)器人上，而不是盲目地從形態(tài)上模仿。比如，蒼蠅的一對(duì)翅膀共有 12 對(duì)大肌群和 18 對(duì)小肌群，在機(jī)器人設(shè)計(jì)上我們不可能也沒(méi)有必要去模仿每一個(gè)驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)，所以在研究如何產(chǎn)生升力、控制翅膀軌跡時(shí)，我們可以對(duì)主要肌群的影響因素進(jìn)行研究，結(jié)合這些研究，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化飛行器設(shè)計(jì)的同時(shí)接近生物的飛行效果。

2. 在進(jìn)行生物飛行研究時(shí)，昆蟲(chóng)的飛行與鳥(niǎo)類(lèi)的飛行有何差異？而將它們的飛行機(jī)理應(yīng)用于飛行系統(tǒng)時(shí)，各自的優(yōu)劣在哪里？

答：同為撲翼飛行，昆蟲(chóng)和鳥(niǎo)類(lèi)的空氣動(dòng)力學(xué)原理不同，前者需要翅膀的高頻撲動(dòng)，后者翅膀撲動(dòng)頻率可以很低。同時(shí)，鳥(niǎo)類(lèi)的翅膀由于有骨骼肌肉，所以可以主動(dòng)形變以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)的飛行控制，而昆蟲(chóng)的翅膀表面是不能主動(dòng)控制形變的。最后，昆蟲(chóng)能懸停，其他大多數(shù)鳥(niǎo)類(lèi)則不能，它們需要前進(jìn)速度，這也是源自兩者不同的空氣動(dòng)力學(xué)原理。蜂鳥(niǎo)則非常特殊，它兼具了鳥(niǎo)類(lèi)和昆蟲(chóng)的優(yōu)點(diǎn)，既能主動(dòng)控制翅膀形變，又能像昆蟲(chóng)那樣在飛行時(shí)懸停。需要注意的是，蜂鳥(niǎo)的翅膀撲動(dòng)頻率很高，類(lèi)似昆蟲(chóng)比如天蛾。

這些生物的應(yīng)用尺度和場(chǎng)景也不同。昆蟲(chóng)和蜂鳥(niǎo)可以在小空間懸停、機(jī)動(dòng)靈活地轉(zhuǎn)彎。其他鳥(niǎo)類(lèi)因?yàn)樾枰星斑M(jìn)速度，所以需要更大的飛行空間。同理，它們各自的優(yōu)勢(shì)也取決于應(yīng)用場(chǎng)景，在低速近距離小空間的場(chǎng)景下，可以參考昆蟲(chóng)和蜂鳥(niǎo)的飛行；需要遠(yuǎn)距離和較高速度的飛行時(shí)，可以參考其他鳥(niǎo)類(lèi)。

3. 你們研制的撲翼飛行系統(tǒng)目前在穩(wěn)定性和飛行控制上可以達(dá)到何種水平？其背后主要參考了哪些生物的運(yùn)動(dòng)？

答：目前我們研制的飛行系統(tǒng)可以姿態(tài)穩(wěn)定地起飛、提升、和懸停，我們參考的生物有蜂鳥(niǎo)和昆蟲(chóng) (果蠅、天蛾、蜜蜂、蒼蠅等)，我們會(huì)基于這類(lèi)生物飛行機(jī)理的共性進(jìn)行研究和應(yīng)用。

4. 在飛行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，除了參照生物的運(yùn)動(dòng)，你們還結(jié)合了哪些關(guān)鍵技術(shù)？為了研制出穩(wěn)定的飛行系統(tǒng)，主要難點(diǎn)有哪些？外部因素如天氣、飛行器的重量等對(duì)這一飛行系統(tǒng)的影響有多大？

答：涉及到的技術(shù)有機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（之后 3D 打印），飛控算法，電路設(shè)計(jì)，翅膀的形狀和柔性的優(yōu)化，翅膀制造工藝，翅膀的瞬時(shí)軌跡跟蹤控制算法，電磁驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)鉸鏈關(guān)節(jié)的柔性剛度的優(yōu)化，傳感器融合等等。

我們的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)有傳感器反饋控制的自主飛行：首先實(shí)現(xiàn)翅膀的高頻撲動(dòng)以產(chǎn)生足夠升力用于提升自重以及負(fù)載，繼而實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)的翅膀軌跡跟蹤，最后實(shí)現(xiàn)機(jī)器人飛行姿態(tài)和位置的穩(wěn)定，以及定點(diǎn)懸停和軌跡跟蹤。

首先，如果不能實(shí)現(xiàn)翅膀的高頻撲動(dòng)，則不能懸停，這是由昆蟲(chóng)和蜂鳥(niǎo)這類(lèi)生物特殊的非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)決定的；其次是優(yōu)化翅膀軌跡實(shí)現(xiàn)足夠大的升力以克服自重和負(fù)載，以及提供足夠的控制裕度做飛控；第三是需要高頻控制，以及設(shè)計(jì)合理的控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)欠驅(qū)動(dòng)（underactuated）系統(tǒng)的控制。我們需要用兩個(gè)電機(jī)（或自研發(fā)的兩個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)器）來(lái)控制 6 個(gè)自由度；第四是高頻振動(dòng)系統(tǒng)的特殊難點(diǎn)，比如提取和融合高頻振動(dòng)下傳感器的有效信號(hào)；此外還有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的加工工藝、對(duì)稱(chēng)性及重復(fù)度，這些都會(huì)影響飛行控制效果。

外部因素如天氣、風(fēng)擾、下雨等會(huì)對(duì)微小尺度的撲翼飛行器造成影響。如果外界擾動(dòng)在一定范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)抗擾，比如我們最近的一個(gè)課題就發(fā)現(xiàn)撲翼飛行本身有著天然的抗風(fēng)擾功能，目前實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)驗(yàn)證了我們觀察到的遷徙的帝王蝶在空氣湍流層中的飛行表現(xiàn)。同行實(shí)驗(yàn)室的研究也發(fā)現(xiàn)蚊子翅膀的耐水性可以使它們?cè)谟甑未虻匠岚虻臅r(shí)候不受太大影響。其次，從主動(dòng)控制的角度講，在一定范圍內(nèi)也可以用魯棒控制的辦法抗外擾。當(dāng)然，如果風(fēng)和雨大到了一定程度，飛行器也不能飛。在大風(fēng)天和大雨天，在戶外也看不到飛行的鳥(niǎo)和昆蟲(chóng)。

飛行器的重量是最需要考慮的因素，實(shí)現(xiàn)能懸停的撲翼飛行之所以存在很大挑戰(zhàn)，就是因?yàn)樾枰a(chǎn)生足夠的升力來(lái)提升自重以及克服負(fù)載的重量，在這上面加任何部件都需要考慮體積和重量，這也是在設(shè)計(jì)任何附加控制機(jī)構(gòu)的時(shí)候需要考慮的問(wèn)題。增加控制機(jī)構(gòu)（比如伺服電機(jī)）會(huì)提高欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制效果，但同時(shí)也增加了重量，所以這是個(gè)需要平衡的問(wèn)題?？偟膩?lái)說(shuō)，我們要用最簡(jiǎn)單最輕便的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)最大的升力和穩(wěn)定靈活的飛行控制效果。

5. 你在 ICRA2017 上發(fā)表的兩篇論文都跟蜂鳥(niǎo)機(jī)器人有關(guān)（Design optimization and system integration of robotic hummingbird，Geometric flight control of a hovering robotic hummingbird），蜂鳥(niǎo)機(jī)器人的發(fā)展歷史如何，它借鑒了鳥(niǎo)類(lèi)的哪些特征？您對(duì)蜂鳥(niǎo)機(jī)器人的研究主要集中于哪些方向？

圖：蜂鳥(niǎo)

答：蜂鳥(niǎo)機(jī)器人最早要追溯到美國(guó)的 Aerovironment 公司在 2006-2011 年間成功研發(fā)的一款重 19 克、翼展 16.5 厘米、撲翼頻率 30Hz 的仿生撲翼飛行器 Nanohummingbird，這款飛行器通過(guò)遙控操作，能實(shí)現(xiàn)懸停、前進(jìn)飛行以及空翻。Nanohummingbird 的設(shè)計(jì)是用電機(jī)驅(qū)動(dòng)一對(duì)耦合的翅膀以實(shí)現(xiàn)高頻撲動(dòng)而產(chǎn)生足夠升力，然后加舵機(jī)（伺服電機(jī)）改變兩邊翅膀的弓角差以實(shí)現(xiàn)飛控。近年來(lái)有兩三個(gè)實(shí)驗(yàn)室也成功地復(fù)制了這個(gè)設(shè)計(jì)。

借鑒鳥(niǎo)類(lèi)的特征在于只靠一對(duì)撲翼翅膀控制飛行，沒(méi)有尾翼。要想像蜂鳥(niǎo)一樣能懸停，這必須靠足夠高的撲動(dòng)頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。

撲翼飛行的最大優(yōu)勢(shì)是機(jī)動(dòng)性和靈活性，這是靠左右翅膀的軌跡微差來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為了體現(xiàn)撲翼飛行的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，我們實(shí)驗(yàn)室的蜂鳥(niǎo)機(jī)器人或昆蟲(chóng)機(jī)器人采取的都是兩邊翅膀獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和獨(dú)立控制。我們的另一個(gè)特點(diǎn)是有自己特殊設(shè)計(jì)的能實(shí)現(xiàn)高頻共振撲翼系統(tǒng)的電磁驅(qū)動(dòng)器，以及耐久抗疲勞的撲翼系統(tǒng)。

6. 在前一篇論文中，你們對(duì)蜂鳥(niǎo)機(jī)器人做出了哪些設(shè)計(jì)上的優(yōu)化和系統(tǒng)融合，效果如何？

答：對(duì)于微型飛行系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)和部件都要輕便有效，系統(tǒng)整體的優(yōu)化是難點(diǎn)，因?yàn)槊總€(gè)部件之間會(huì)相互影響，尤其是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和電池電路。而撲翼驅(qū)動(dòng)和機(jī)構(gòu)又非常特殊，我們的方法結(jié)合了獨(dú)特的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和整機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化，極大地提高了升重比（升力和重量的比例），是傳統(tǒng)的對(duì)單個(gè)部件的優(yōu)化不能達(dá)到的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是我們用三個(gè)撲翼飛行器基于不同的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了起飛、懸停、和姿態(tài)穩(wěn)定。

7. 在第二篇論文中，對(duì)蜂鳥(niǎo)機(jī)器人的飛行控制達(dá)到了何種程度，關(guān)鍵性的技術(shù)和難點(diǎn)有哪些？

答：撲翼系統(tǒng)體積小，升力產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜，具有很強(qiáng)的非線性和不確定性。翅膀的空氣動(dòng)力具有強(qiáng)烈周期性和震蕩性，這既是撲翼的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也帶來(lái)了對(duì)飛控的挑戰(zhàn)。我們的這一控制算法有效利用了系統(tǒng)的幾何特性，直接采取了非線性控制，有效提高了控制精度和運(yùn)行范圍，避免了傳統(tǒng)方法依賴線性化的弊端。實(shí)驗(yàn)效果是在整機(jī)上實(shí)現(xiàn)了全局收斂的非線性幾何控制，從而實(shí)現(xiàn)了姿態(tài)穩(wěn)定控制。

8. 你們制造的仿生機(jī)械魚(yú)性能如何？在研制過(guò)程中，需要克服哪些難點(diǎn)？

答：對(duì)于機(jī)器魚(yú)，由于不需要考慮重力的問(wèn)題（在水中可以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)重力和浮力相抵），所以我們將仿生魚(yú)的驅(qū)動(dòng)器、傳感器、電池、攝像頭等都實(shí)現(xiàn)了一體化。目前它有一個(gè)尾鰭和兩個(gè)側(cè)鰭，能自主跟蹤一個(gè)簡(jiǎn)單的物體。

9. 目前仿生機(jī)器人（蜂鳥(niǎo)機(jī)器人、機(jī)械昆蟲(chóng)、機(jī)械魚(yú)等）技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了何種水平？為了制造出像動(dòng)物一樣靈活或者比動(dòng)物更加靈活的仿生機(jī)器人，還存在哪些難點(diǎn)？

答：仿生機(jī)器人目前已經(jīng)有很多進(jìn)步和成果了。

飛行類(lèi)比如 Aerovironment 的 Nanohummingbird 和哈佛的 Robobee 是兩個(gè)典型的例子。

水下機(jī)器魚(yú)最早從九十年代中期 MIT 的 Robotuna 開(kāi)始，之后出現(xiàn)越來(lái)越多的成功設(shè)計(jì)。

陸地上的四足機(jī)器人最典型的是 Boston Dynamics 的機(jī)器狗。

圖：Boston Dynamics 機(jī)器狗

爬行類(lèi)的包括蛇形機(jī)器人、蟑螂機(jī)器人，另外也有不少壁虎機(jī)器人。

對(duì)于飛行機(jī)器人來(lái)說(shuō)，目前需要解決的是實(shí)現(xiàn)帶有傳感器反饋的自主飛行，以及考慮驅(qū)動(dòng)器的電壓和功耗等等。

對(duì)于系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，因?yàn)樾枰浅８叩撵`活度，這意味著對(duì)飛控的要求會(huì)非常高。飛行系統(tǒng)的左右翼必須非常對(duì)稱(chēng)，系統(tǒng)能達(dá)到的飛行效果還需要進(jìn)一步提高。

由于這類(lèi)定制化機(jī)器人的特殊性，作為大學(xué)實(shí)驗(yàn)室，我們還一直面臨的挑戰(zhàn)就是某些大型的或者特殊的實(shí)驗(yàn)設(shè)備跟不上，除了3D打印的部件，很多部件是手工加工出來(lái)的，導(dǎo)至加工出來(lái)的部件的標(biāo)準(zhǔn)化存在問(wèn)題。有時(shí)候，實(shí)驗(yàn)室不像工業(yè)界那樣，能做出非常精密的標(biāo)準(zhǔn)。而部件標(biāo)準(zhǔn)化會(huì)對(duì)系統(tǒng)整合以及飛控效果產(chǎn)生很大的提高。

10. 這些仿生機(jī)器人有哪些實(shí)際應(yīng)用？在未來(lái)的應(yīng)用前景如何？

答：飛行類(lèi)仿生機(jī)器人體積小、能懸停、具有機(jī)動(dòng)性和靈活性，這些特征使其可以應(yīng)用于狹小空間和室內(nèi)，可以利用它們?cè)诘卣鸷蟮膹U墟、火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)、輻射區(qū)等特殊場(chǎng)景下進(jìn)行搜救和偵查。陸地上的仿生機(jī)器人還可以用于各種地形以及進(jìn)入地面以下的狹窄空間。水里的仿生機(jī)器魚(yú)可以勘察沉船和水底生態(tài)等，舉例來(lái)說(shuō)我們目前用自研電機(jī)驅(qū)動(dòng)的仿生魚(yú)在運(yùn)行時(shí)可以做到很安靜，不會(huì)像螺旋槳那么嘈雜。

不論是海、陸、空，仿生機(jī)器人都有很廣闊的應(yīng)用前景。生物的特點(diǎn)是往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，傳統(tǒng)人工系統(tǒng)的特點(diǎn)是螺旋槳驅(qū)動(dòng)。相對(duì)后者適用的高速和遠(yuǎn)距，前者更適用于小空間里對(duì)靈活性要求較高的場(chǎng)景。隨著技術(shù)的進(jìn)步，將來(lái)仿生機(jī)器人會(huì)應(yīng)用到許多特定場(chǎng)合和傳統(tǒng)的大型機(jī)器人、飛行器等到不了的空間。

11. 您在 2017 年提到，將人工智能用在行動(dòng)機(jī)器人的研究領(lǐng)域還比較空白，目前大熱的人工智能與行動(dòng)機(jī)器人有哪些結(jié)合點(diǎn)？您是否有進(jìn)行相關(guān)研究？

答：我剛從 ICRA2018 回來(lái)，現(xiàn)在開(kāi)始有越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)室在把行動(dòng)機(jī)器人與 AI 算法相結(jié)合。雖然無(wú)人駕駛汽車(chē)是一個(gè)典型的將行動(dòng)機(jī)器人與人工智能結(jié)合的例子，但是除了無(wú)人駕駛，目前人工智能的最廣泛的應(yīng)用還是在于視覺(jué)和圖像處理。其實(shí)各類(lèi)行動(dòng)機(jī)器人（飛行、陸地、水下等）都有與人工智能相結(jié)合的巨大潛力。尤其是仿生機(jī)器人本身就有許多可以跟 AI 相結(jié)合的方向。目前有幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室在做機(jī)器學(xué)習(xí)與機(jī)械臂控制相結(jié)合的工作，比如通過(guò)強(qiáng)化學(xué)習(xí)和模仿學(xué)習(xí)等算法來(lái)訓(xùn)練機(jī)械臂學(xué)習(xí)某種抓放功能。我們實(shí)驗(yàn)室目前在 AI 和機(jī)器人方向有幾個(gè)科研課題，其中一個(gè)就是用生物和仿生機(jī)器人飛行的數(shù)據(jù)（身體的位置姿態(tài)和翅膀軌跡等等）結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)訓(xùn)練和改進(jìn)蜂鳥(niǎo)機(jī)器人的飛控效果和快速適應(yīng)環(huán)境和自身參數(shù)變化的能力。

12. 在您看來(lái)，國(guó)內(nèi)在仿生機(jī)器人領(lǐng)域目前有哪些比較領(lǐng)先的研究？

答：相較前面提到的國(guó)外各種仿生機(jī)器人，國(guó)內(nèi)在這方面的研究的起步稍晚一些，但是近年來(lái)有極大的增長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)如北大的機(jī)器魚(yú)和南航的機(jī)器壁虎都是非常成功和領(lǐng)先的例子，此外還有許多其他實(shí)驗(yàn)室的最新成果，這里就不一一舉例了。

看完以上專(zhuān)訪，大家勢(shì)必對(duì)仿生機(jī)器人有了更多認(rèn)識(shí)與了解。今年，鄧教授將作為 CCF-GAIR 大會(huì)仿生機(jī)器人專(zhuān)場(chǎng)主席，邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)外知名專(zhuān)家教授來(lái)到這一論壇，展示該領(lǐng)域最新科研成果。她表示，論壇會(huì)涉及微尺度仿生機(jī)器人、水下機(jī)器人、爬行機(jī)器人、飛行機(jī)器人等多個(gè)方向。

歡迎大家來(lái)到 CCF-GAIR 2018 現(xiàn)場(chǎng)，與鄧教授以及各位專(zhuān)家學(xué)者現(xiàn)場(chǎng)交流。

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