機器人是什么？如果我們在網絡上搜索，會發(fā)現它是這樣被定義的：機器人是一種能夠半自主或全自主工作的智能機器，具有感知、決策、執(zhí)行等基本特征，可以輔助甚至替代人類完成危險、繁重、復雜的工作，提高工作效率與質量，服務人類生活，擴大或延伸人的活動及能力范圍。

 

在北京理工大學智能機器人研究所副所長石青教授看來，傳統(tǒng)的機器人，主要將模擬信號轉換成數字信號，用來控制機械電子系統(tǒng)，運動性能與真實生物相比靈活性較差。要進一步提升仿生機器人的各項性能，可以考慮將數字控制信號改為生物模擬信號，即將生物和機器人系統(tǒng)有機融合在一起，用類似生物的控制信號來控制機器人本體，或者用生物驅動的方式直接驅動機器人本體，這就是未來的生機電融合仿生機器人，也正是他多年來開展的研究工作。

 

 

石青 求學之路

 

挫折之后迎轉折

 

石青從事機器人研發(fā)，可以說是緣分使然，水到渠成。

 

時間追溯到2002年，北京理工大學機電工程學院的黃強教授繼日本之后成功研發(fā)了仿人機器人，實現了仿人機器人獨立行走和太極拳等表演，使中國的仿人機器人研究跨入世界先進行列。這一創(chuàng)舉被中央電視臺進行了報道。彼時，石青恰好是北京理工大學機電工程學院的大一新生，看到這則新聞，他心中的自豪感油然而生。從此，將來要研發(fā)機器人的夢想在石青的心中逐漸萌發(fā)。等到了大三，石青有機會被保研的時候，他就毅然選擇了黃強作為他的研究生導師。從此，在黃強的帶領下，石青在機器人研究領域走得越來越遠。

 

石青在北京理工大學是直博生，一般來說，他會在北理工完成研究生學業(yè)，然后順利拿到博士學位，然而事情卻意外地發(fā)生了變化。當時石青剛讀完博一，恰巧迎來了北京理工大學與日本千葉工業(yè)大學的交流學習機會，在這一契機之下，他被派出去在日本學習了一年半。這本來是一個極好的機會，可讓石青始料不及的是，這一年半讓他受盡了挫折，最終又迎來了轉折。

 

剛開始去日本的時候，石青面臨的一個最大的問題是語言不通，而且對日本的學習環(huán)境也不適應。2007年前后，要買電子芯片，在北京可以騎自行車去中關村買，然而在日本都需要從網上購買，由于語言問題，很難查找到一款合適的芯片。比如說電路板制作，在國內有很專業(yè)的軟件，容易上手操作。但在日本高校，使用的卻是學術版軟件，而且大部分都是日語系統(tǒng)。“我怎么都用不習慣，沒法自制電路板，因此相關的實驗驗證難以開展。”石青說，由于種種原因，他對日本的學習，包括他當時的研究方向——機器人系統(tǒng)仿真都很抵觸，這種情緒持續(xù)了將近一年多。

 

就在石青的交流學習即將結束的時候，黃強教授有一次去日本出差，見到石青后就問他對日本的情況了解得怎么樣。“當時我說，我覺得我了解得不是特別好。”石青回憶，當時黃強就給他建議：在這種情況下無法在日本得到應有的科研鍛煉，與沒出國沒什么兩樣，不如在日本讀個博士，換個地方好好鍛煉一下。后來，在黃強的推薦下，石青來到日本早稻田大學攻讀博士。博士畢業(yè)后，石青在日本又做了一年博士后研究，這才回到了母校北京理工大學。

 

2013年5月，石青又回到了他的導師黃強的實驗室。他覺得在國內可以充分發(fā)揮自己所學，施展抱負，同時導師黃強當時特別重視與日本的合作，他正好可以起到橋梁的作用。自此，他開始基于這一科研平臺，開展研究工作。

 

精中求精

 

結緣仿生機器鼠

 

在仿生機器人領域，石青的主要成就是研制出模仿實驗鼠的智能微小型仿生機器人，機器鼠體形小巧、機動靈活，是執(zhí)行狹窄空間探測的理想機器人形態(tài)，能進入人無法到達的區(qū)域執(zhí)行特殊任務，應用前景廣闊。

 

機器人行為仿生表達與自然交互動物行為機理復雜，運動求解困難，傳統(tǒng)的方法主要通過動力學行為規(guī)劃來求解所有關節(jié)作用力，導致運動模式單一、機械，難以實現自然交互。為此，石青借鑒實驗鼠所具備的自然、快速和靈巧特征，提出了行為仿生表達與自然交互方法，突破了微小型機器人多關節(jié)靈巧設計與系統(tǒng)集成關鍵技術，研制出微小型靈巧仿生機器鼠；解決了微小型仿生機器人行為模式單一、運動機械的難題，以及傳統(tǒng)動物模型不可控、實驗周期長等難題，實現了動物行為和心理的自動化評估及操控。

 

基于以上的創(chuàng)新成果，石青出版專著1部，受邀在國際學術會議ICCSIP、IEEE ICRA Workshop等多次作特邀報告；研究成果被機器人領域國際權威J. Wiles教授引用，評價為“研制了國際領先（state-of-the-art）的機器鼠”。瑞士技術科學院院士F.Mondada教授在其論文里正面引用了石青的工作，指出他研制的“仿生機器鼠已經成為實驗鼠行為研究的一個常用工具”。

 

基于微納操作的仿生微感知與驅動受尺度限制，仿生機器人的多元感知及微驅動系統(tǒng)不易集成，現有研究主要從功能上模仿生物，形態(tài)和功能不能同時滿足要求。為此，石青從生物和機器人融合的角度出發(fā)，提出了機器人化的微納目標三維精密操作方法，解決了仿生微感知與驅動多元構建與集成難題，為新型仿生機器人的構建提供了新的途徑。

 

聚焦微納???????

 

深耕生機電融合

 

為了研制全新的仿生機器人，同時在中國科學院外籍院士、IEEE2020總主席福田敏男教授的大力支持下，石青也專注開展基于微納生物操作的生機電融合研究。“就是在微納尺寸的級別下，用操作器操作生物細胞，然后再組裝形成人工組織。”石青解釋道，這方面的研究主要有兩部分，一部分是肌肉組織，一部分是神經信號。肌肉組織將來可以應用到仿生機器人身上，作為其中的一個驅動，即將生物驅動和機電融合。

 

“我們做神經接口，就是把機電和生物之間的接口串通起來，在電極上面培養(yǎng)神經組織。電極一端接著機電，另外一端神經組織接的就是生物了。”石青說，“我現在主要做的部分是基于微納操作形成這個組織，讓它跟機械電子結合在一起，做一些接口。”一旦神經接通之后，將來假肢將不再是假肢，會變成人本體的一部分，作為人本體的延伸。這將不再是一個機電系統(tǒng)，而是一個真正的生機融合的東西。 

 

生物機電融合，有一個翻譯過來的名字叫“類生命系統(tǒng)”，這是仿生機器人將來研究的一個趨勢。石青打算今后在這一方面繼續(xù)深入探索。

 

師生傳承???????

 

同探知未知新世界

 

在石青求學的過程中，對他影響最大的除了黃強，還有他在日本學習時的副導師——石井裕之教授。他認為，博士最主要的不是去學知識，而是要著重考慮方法論，即掌握如何解決問題的思路及方法。“剛開始我也不是很明白。后來我回國之后才慢慢明白其中的道理，尤其是在帶博士生的時候，讓我受益匪淺。”石青說。

 

對于本科階段的學生，石青認為最主要的還是系統(tǒng)化的學習過程。當前他所在的專業(yè)是機械電子工程，研究方向是機器人。根據多年的經驗，石青認為研究機器人，可以從本科就開始培養(yǎng)，大三便可以去設計具體的機械結構，完成結構設計之后再做電路驅動，然后再做整體的系統(tǒng)控制。這樣一套流程下來，學生特別有興趣，同時也非常有成就感。 

 

事實證明，石青的這套培養(yǎng)方法是行之有效的。由他指導的學生成功獲得了2019年首屆全國大學生智能機電系統(tǒng)創(chuàng)新設計大賽一等獎、第二屆中國研究生機器人創(chuàng)新設計大賽一等獎、第十一屆首都挑戰(zhàn)杯一等獎等，而他本人也被評為師德先進個人。

 

除了單純地傳道、授業(yè)、解惑，石青還非常關心學生的生活和身心健康。為了緩解學生的壓力，石青想到了一個小妙招：他制定了一個表格，學生按表所示打卡，每周做兩次運動。“如果沒有運動，現在就出去跑兩圈，有時候就以這樣的方式‘命令’他們出去運動。”石青說。在他看來，在學生階段，老師的正確引領十分重要。

 

現在，石青已經逐漸組建起了自己的團隊。團隊里除他之外，還有一個年輕老師，一個博士后，近10個碩博研究生。在團隊協作之下，石青做起研究來更得心應手了。石青表示，以前做研究時受到的約束比較多，現在他想放開手腳，帶領團隊去研究一些以前不敢做的事情，去探索一些未知的領域。