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南航戴振东:仿生学研究需要与生物学家跨界交流,目前最缺的是人才 | CCF-GAIR 2018

导语:谈到仿生学,可以一直追溯到古代的「木牛流马」、渔船摇撸、鲁班发明木锯。研究难点在于从研究生物到理解生物再到工程实现,周期太长,很多人难以坚持。

2004 年,南航第一代「大壁虎」仿生机器人问世。历经 7 年更新完善,研究团队在改善运动协调、远程控制以及电动机更新等问题的基础上,2011 年,终于成功实现「大壁虎」的 90 度自由爬行。

这一研究由南航戴振东教授带领,在这期间,戴振东教授负责《类壁虎仿生机器人的关键基础》项目,在这一项目中,他们建立了规范的实验动物实验室饲养体系,研究壁虎运动仿生所需要的生物神经信息学、运动力学协调等基础问题,为特种机器人学、神经信息学、运动生理学等相关学科的交融和交叉发展奠定了基础。

据雷锋网 AI 科技评论了解,建立南航仿生结构与材料防护研究所以来,戴振东教授团队对壁虎、鸽子、树蛙以及十多种昆虫鞘翅展开研究,还研究了泡沫金属的制备和性能以及几十种树叶的微结构和疏水性关系。如今,距离实现 90 度自由爬行的仿壁虎机器人已过去 7 年之久,相信大家对他们的最新研究一定非常好奇。

作为国内仿生学研究领域的佼佼者,戴振东教授将莅临 CCF-GAIR 大会带来主题报告,与大家分享仿生机器人研究体会和未来发展。

会前,雷锋网(公众号:雷锋网) AI 科技评论对戴振东教授进行了一次邮件采访,谈到此次仿生机器人论坛的亮点,戴振东教授表示,这次论坛将会把理论与实际结合,既有前沿的探索,又有落地的应用。

在采访中,戴振东教授表达了如下观点:

  • 仿生学是一个横断和前沿领域,涉及学科众多,这一学科可以用「跨学科交叉融合」、「启发原创」、「前沿探索」、「工程应用」关键词来表述。

  • 仿生学在中国的发展可以一直追溯到古代的「木牛流马」、渔船摇撸、鲁班发明木锯。

  • 仿壁虎机器人成功的核心因素包括对机器人如何感知黏附接触的状态、感知自身的重力角、通过学习掌握对应的运动模式等的研究。

  • 仿生学研究的难点在于从研究生物到理解生物再到工程实现,周期太长,很多人难以坚持。

戴振东教授也提出仿生学研究现存的问题——理解动物运动的生物学家不懂机器人控制,而做机器人控制及软件编程的研究人员很少知道机器人是如何运动的。他表示,两个领域的专家需要多多交流,多多进行思想上的碰撞。

南航戴振东:仿生学研究需要与生物学家跨界交流,目前最缺的是人才 | CCF-GAIR 2018

戴振东,博士,教授,博士生导师。1983、1986 和 1999 年在南京航空航天大学分别获得学士、硕士和博士学位。2002 年创建仿生结构与材料防护研究所,任所长。是国家自然基金委员会十三、十四届信息学部咨询评审专家、国家 863 计划评审专家;国际仿生工程学会中国代表、固体润滑国家重点实验室学术委员会委员、摩擦学学会常务理事;中国仿生工程学会筹建委员;《摩擦学学报》、《J of Bionic Engineering》、《Friction》等多 7 个学术期刊编委,数十个国际仿生/摩擦学/机器人专业学术会议的学术委员。

出版《动物行为仿生学》、《壁虎的运动力学与运动仿生》、《摩擦体系热力学引论》等专著 4 本。发表期刊论文 260 多篇,所带领的研究所所有教师均主持国家自然科学基金。现主要从事运动仿生(仿生与生物机器人),轻质多功能仿生结构与材料、摩擦体系热力学与表面技术的研究。

以下为雷锋网 AI 科技评论对戴振东教授的专访:

1. 仿生学集合了生命科学、脑科学、工程学、数学等多门学科,你会用怎样的关键词来定义这一门学科,它与其它学科的交叉性和关联性主要集中在哪些层面?

仿生学是一个横断和前沿领域,涉及学科众多,要准确地给出关键词并不容易。我想用「跨学科交叉融合」、「启发原创」、「前沿探索」、「工程应用」来表述。

仿生学与其它学科的交叉和关联体现在多个方面。核心有两点:

  • 一方面,通过研究生物的机制和规律,启发工程设计和技术发明;

  • 另一方面,其它学科提出的问题和提供的研究手段为生命科学的发展牵引出研究目标、提供新的手段。

以我本人熟悉的运动仿生为例,工程上对动物机器人的需求引出了研究动物脑运动核团、核团间联系及其神经信息交互作用机制这样一个在脑科学和神经科学领域关注度不多的问题。另一方面,微电极阵列的制造、植入需要机械工程和生物力学的介入,神经信息的采集、传输、处理和分析,需要微电子技术、无线信息传输技术、数学等学科的融合。

以运动力学及仿壁虎机器人控制策略研究为例,此前人们并没有认识到壁虎运动反力模式的重力角度相关性,实验表明大壁虎的运动反力模式分为三种,和重力角度有很大关联,这为爬壁机器人控制提供了直接的启发。在此过程中,机械工程和测试技术是研制力传感器和运动反力测试系统的支撑,计算机和信息处理为后续分析奠定了基础,而研究得到的结果既丰富了生物学的内涵,也启发了仿壁虎机器人的控制设计。

总结起来,仿生学是桥梁,可以沟通和关联不同的学科,获得双赢的结果;仿生学是播种机,是原始创新的源泉和种子。

2. 国内在仿生学方面有哪些比较领先的研究?与国外相比,国内的仿生学研究侧重点有何异同?

中国仿生学的研究历史渊源深厚,「道法自然」是中国哲学的核心内涵之一,「木牛流马」、渔船摇撸、鲁班发明木锯的故事等均体现了中国古代的仿生学创造。

中国当代的仿生学研究,始于 50 年代,中科院生物物理研究所做了大量开拓性的探索,可惜在文革中中断。上世纪 90 年代陈秉聪和任露泉院士在仿生抗黏附方面做了开创性的工作,并实现了技术成果的转移和商业化应用。

中科院、北航的江雷院士在表面疏水—亲水、疏油—亲油研究领域具有国际一流水平,形成了具有中国特色的理论体系和指导原则,技术成果也得到很好的应用。

进入 21 世纪以来,国内仿生学研究团队增长飞快,研究水平也有很大提高。

和国外研究相比,中国仿生学研究的主要力量在工程领域,带着工程的需求和问题。如果根据生物学研究的文献开展应用研究,优点是可以很快解决工程问题,不足是对生物的作用机制理解不够深,往往有为仿生而仿生的嫌疑。

最近几年,陆续有生命学科研究领域的学者关注仿生学研究,如成都生物所唐业忠教授等,中科院动物所也有学者积极介入相关研究。

国外的研究团队中有不少生物学家,典型的代表是德国,例如「荷叶效应」中,生物学家起到很好的推动作用。在美国,军方对此类研究的推动很大,如仿壁虎黏附机制和黏附材料的研究。动物运动控制的研究具有很强的军事背景。

3. 你的研究包括运动仿生,这里涉及揭示动物运动的机构结构、感知控制和行为规律,在这一过程中,关键性的技术有哪些?

动物的运动仿生是系统技术,从最终形成产品的角度看,很多环节都非常重要。从机构看,仿生黏附运动需要匍匐运动机构,而不是常见的直立运动机构。如何保证仿壁虎机器人脚和所在运动面形成有效锁合(产生粘附力),机器人如何感知黏附接触的状态,感知自身的重力角,并通过学习掌握对应的运动模式等,这都是仿壁虎机器人能够成功的核心因素。

4. 你对哪些生物进行过研究?你是根据哪些因素来挑选研究对象的?对生物进行研究的手段有哪些?

建立南航仿生所以来,我们有如下研究:壁虎、鸽子的运动控制,壁虎、树蛙、多种昆虫的黏附接触运动力学,十多种昆虫鞘翅的展开和闭合规律,昆虫鞘翅的结构,泡沫金属的制备和性能,几十种树叶的微结构和疏水性关系等。

研究动物的选择是从实际工业需求出发:

针对反恐对爬壁机器人的需求,我们选择大壁虎开展研究和仿生,因为壁虎在各种表面上都能够快速运动,是最合适的选择;

针对复杂空间内飞行侦查等需求,结合卫星飞行器续航时间短的问题,我们对鸽子的运动控制问题进行研究,因为鸽子适合家养,也是典型的飞行动物;

针对航空航天对轻质结构的需求,我们研究鞘翅、骨骼等生物的轻质结构和材料特征;

根据工程上对超大表面的需求,我们对泡沫金属的多功能应用展开研究。

对生物对象的研究方法根据研究需求不同而有所变化。在运动仿生方面,我们将传统的行为学研究方法与力学测量方法、电荷测量方法、实际接触面积测量方法相结合,建立了系统的研究方法,研制出对应设备;在神经控制方面,我们建立了新的模式动物的脑立体定位方法,研制了脑立体定位仪。我们研究了大壁虎的脑图谱,探索了大壁虎和鸽子运动的空间编码区,采用切片、染色等方法确定壁虎和鸽子的运动行为与脑区的关系。此外,我们用 SEM 和切片方法,研究鞘翅等生物组织的结构形态,用纳米压痕仪研究生物材料的力学性能。

5. 你 2002 年发表的论文 Roughness-dependent friction force of the tarsal claw system in the beetle Pachnoda marginata (Coleoptera, Scarabaeidae) 被引用次数达到两百多次,这篇论文中,你们对甲虫跗节进行了哪些方面的研究?得出了什么结论?

我们发现昆虫脚爪在粗糙面上的附着可靠性取决于脚爪末端指尖半径 r 和粗糙峰的当量球半径 R 的比,R / r >>1,难于形成机械锁合。该研究提出了脚爪附着动物的附着能力与脚爪末端结构的关系,对抓型机器人的设计有指导作用。

6. 今年三月你带领团队发表论文 A Bio-inspired Climbing Robot with Flexible Pads and Claws,这一攀爬机器人实现了哪些突破?

仿壁虎机器人的实际应用面临很多科学问题,包括工程化方面的问题,也需要很多关键技术。我们团队在机器人机构设计和驱动、黏附材料制备及应用、机器人步态规划及动力学仿生等方面取得了系统和全面的进展,在核心技术上也有所突破,为实际应用奠定了很好的基础,但依然需要进一步满足工程化需求。

7. 你在壁虎仿生上进行过诸多研究,对壁虎运动仿生的研究是从什么时候开始的?对壁虎进行了哪些研究?

我们团队对壁虎运动仿生的研究始于 2002 年,当时,我们在实验室建立壁虎饲养基地,保证实验对象的可获得性。我们研制了用于壁虎等动物运动力学测试的力传感器,发明了多种新的实验研究方法和设备,测定了大壁虎等动物从地面到天花板全空间的运动反力,发现并构建了运动反力模式,为机器人的控制提供了主要启示。

我们研制了基于碳纳米管阵列和高分子的仿壁虎黏附材料,初步实现核心技术的可控,还根据国家需求,发展了多种仿壁虎机器人。从科学发现,到技术攻关,再到产品实现,我们实现了研究的全过程创新。

8. 壁虎运动仿生的发展历程如何?目前在工程上主要有哪些应用?

人们对壁虎运动的兴趣可以追溯到两千多年前。2000 年以前,普遍的观点是壁虎靠吸盘黏附在墙上,2000 年,Full 团队认为壁虎的黏附是靠范德华力,随后不少团队对各种不同的仿生黏附材料进行研究和研制,如代顿大学的 Dai LM、德国的 Sitti、韩国 Kaist 的团队。在国内,我们与美国 Rice 大学、芬兰 Oulu 大学、中科院苏州纳米所等单位合作研制了碳纳米管阵列,还与航天部门合作,研究仿生黏附技术在航天上的应用。

目前,在仿壁虎黏附技术研究系统上,国外进展较快的是美国,代表团队是斯坦福团队和伯克利 Full 团队,他们已经完成了黏附材料在失重飞机上的实验和在轨初步实验。国内的南航团队做了悬浮目标的黏附捕获,取得了很好的结果。仿壁虎机器人的应用也正在根据工程需求积极推进中。

9. 如何将对壁虎的研究转化到工程应用上?想要将对生物的研究转化到工程上,这里的难点有哪些?

将壁虎的研究转化到工程上,最大的问题是需要系统的、工程化的知识和经验。高校和研究所往往极具创新,但缺乏工程化的能力、经验和韧性,企业则缺乏创新的环境和积累。

仿生学研究的难点在于从研究生物到理解生物、再到工程实现,周期太长,很多人坚持不了。此外,缺乏跨学科学习和合作的通道,科学研究和工程实践之间也缺乏对话能力。

10. 仿生学在未来的发展前景如何?目前这一学科的发展主要面临着哪些挑战?

学科交叉融合是当前科技发展的一个主要特征,仿生学恰恰是生命科学与工程科学、信息科学、材料科学交叉融合的产物。我们正面临原创技术不足的压力,仿生学是启发原创思想的源泉,一定会为国家的技术创新作出重大贡献。

该学科面临的主要挑战是缺乏人才,现在极度缺乏横跨生命科学和其它工程学科的人才,而且以目前的培养体系,不太支持这种交叉和融合,因为交叉难度大,有影响力的高级专家也比较少。希望仿生学研究能够得到进一步的支持和理解。

11. GAIR 大会今年首次开设仿生机器人专场,在你看来这是否意味着学界和业界对仿生学的关注越来越多?

是的。实际上从 NSFC 的申报,就可以明显看到仿生机器人已经成为学者们关注的热点。目前存在的问题是理解动物运动的生物学家不懂机器人控制,而做机器人控制及软件编程的研究人员很少知道机器人是如何运动的。这两个领域专家的对话,需要调谐到同样的频率,他们应能理解对方的语言。建议未来多组织一些跨界交流会,为双方带来更多思想碰撞的机会。

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