倪海波

石青

機器人是什么？如果我們在網(wǎng)絡(luò)上搜索，會發(fā)現(xiàn)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(fù)雜的工作，提高工作效率與質(zhì)量，服務(wù)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(xué)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(zhuǎn)換成數(shù)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(shù)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(qū)動的方式直接驅(qū)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。

求學(xué)之路 挫折之后迎轉(zhuǎn)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(xué)機電工程學(xué)院的黃強教授繼日本之后成功研發(fā)了仿人機器人，實現(xiàn)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(xué)機電工程學(xué)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(dǎo)師。從此，在黃強的帶領(lǐng)下，石青在機器人研究領(lǐng)域走得越來越遠。

石青在北京理工大學(xué)是直博生，一般來說，他會在北理工完成研究生學(xué)業(yè)，然后順利拿到博士學(xué)位，然而事情卻意外地發(fā)生了變化。當(dāng)時石青剛讀完博一，恰巧迎來了北京理工大學(xué)與日本千葉工業(yè)大學(xué)的交流學(xué)習(xí)機會，在這一契機之下，他被派出去在日本學(xué)習(xí)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(zhuǎn)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(xué)習(xí)環(huán)境也不適應(yīng)。2007年前后，要買電子芯片，在北京可以騎自行車去中關(guān)村買，然而在日本都需要從網(wǎng)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(nèi)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(xué)術(shù)版軟件，而且大部分都是日語系統(tǒng)?！拔以趺炊加貌涣?xí)慣，沒法自制電路板，因此相關(guān)的實驗驗證難以開展。”石青說，由于種種原因，他對日本的學(xué)習(xí)，包括他當(dāng)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(xué)習(xí)即將結(jié)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(dāng)時我說，我覺得我了解得不是特別好?！笔嗷貞?，當(dāng)時黃強就給他建議：在這種情況下無法在日本得到應(yīng)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(xué)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(xué)。

2013年5月，石青又回到了他的導(dǎo)師黃強的實驗室。他覺得在國內(nèi)可以充分發(fā)揮自己所學(xué)，施展抱負，同時導(dǎo)師黃強當(dāng)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(jié)緣仿生機器鼠

在仿生機器人領(lǐng)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(wù)，應(yīng)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(fù)雜，運動求解困難，傳統(tǒng)的方法主要通過動力學(xué)行為規(guī)劃來求解所有關(guān)節(jié)作用力，導(dǎo)致運動模式單一、機械，難以實現(xiàn)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(guān)節(jié)靈巧設(shè)計與系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)，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(xiàn)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(xué)術(shù)會議ICCSIP、IEEE ICRA Workshop等多次作特邀報告；研究成果被機器人領(lǐng)域國際權(quán)威J.Wiles教授引用，評價為“研制了國際領(lǐng)先（state-of-the-art）的機器鼠”。瑞士技術(shù)科學(xué)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(jīng)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(qū)動受尺度限制，仿生機器人的多元感知及微驅(qū)動系統(tǒng)不易集成，現(xiàn)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(qū)動多元構(gòu)建與集成難題，為新型仿生機器人的構(gòu)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(xué)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?！熬褪窃谖⒓{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?！笔嘟忉尩?，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(jīng)信號。肌肉組織將來可以應(yīng)用到仿生機器人身上，作為其中的一個驅(qū)動，即將生物驅(qū)動和機電融合。

“我們做神經(jīng)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(jīng)組織。電極一端接著機電，另外一端神經(jīng)組織接的就是生物了?！笔嗾f，“我現(xiàn)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(jié)合在一起，做一些接口?！币坏┥窠?jīng)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 同探未知新世界

在石青求學(xué)的過程中，對他影響最大的除了黃強，還有他在日本學(xué)習(xí)時的副導(dǎo)師——石井裕之教授。他認為，博士最主要的不是去學(xué)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?！皠傞_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?！笔嗾f。

對于本科階段的學(xué)生，石青認為最主要的還是系統(tǒng)化的學(xué)習(xí)過程。當(dāng)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(jù)多年的經(jīng)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(shè)計具體的機械結(jié)構(gòu)，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計之后再做電路驅(qū)動，然后再做整體的系統(tǒng)控制。這樣一套流程下來，學(xué)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(dǎo)的學(xué)生成功獲得了2019年首屆全國大學(xué)生智能機電系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計大賽一等獎、第二屆中國研究生機器人創(chuàng)新設(shè)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(guān)心學(xué)生的生活和身心健康。為了緩解學(xué)生的壓力，石青想到了一個小妙招：他制定了一個表格，學(xué)生按表所示打卡，每周做兩次運動?！叭绻麤]有運動，現(xiàn)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?！笔嗾f。在他看來，在學(xué)生階段，老師的正確引領(lǐng)十分重要。

現(xiàn)在，石青已經(jīng)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(xié)作之下，石青做起研究來更得心應(yīng)手了。石青表示，以前做研究時受到的約束比較多，現(xiàn)在他想放開手腳，帶領(lǐng)團隊去研究一些以前不敢做的事情，去探索一些未知的領(lǐng)域。