【直播】【Science AAAS】适应复杂环境应用的机器人

嘉宾及报告题目

Pakpong Chirarattananon，香港城市大学

一款具备高效悬停飞行能力的植物仿生学旋转翼无人机

高飞，浙江大学

野外微型空中机器人集群

丁亮，哈尔滨工业大学

“玉兔二号”月球车两周年的月球背面移动与科学探测

文力，北京航空航天大学

跨介质仿生吸附机器人

赵慧婵，清华大学

柔性人工肌肉技术及其机器人应用

张一慧，清华大学

亚毫米尺度的遥控步行机器人

特别出席嘉宾

许超，浙江大学湖州研究院院长，浙江大学控制科学与工程学院副院长

Michael Lee，Science Robotics期刊内容主编

主持人

樊巍，Science/AAAS亚洲区外联与战略伙伴发展副总监

活动简介

Science Café in China科学咖啡沙龙中国系列是由Science/AAAS主办的公益科学交流会。每一期选定一个主题，由近期在Science系列杂志上发文的作者以线上报告的形式分享介绍研究工作，以期待与同行的学术交流，思想碰撞，同时帮助更多其他领域研究者甚至产业界相关工程技术人员了解前沿进展，探讨学术与产业融合的机会。

适应复杂环境应用的机器人

严峻复杂的野外环境，严苛的多尺度时空要求，以及高强度长时间的工作状态等极端条件通常不适宜人类探索和工作。借助先进制造，设计以及机器学习等领域的发展，越来越多的先进机器人被制造出来辅助完成人类难以完成的任务。本期科学咖啡沙龙我们邀请了6位在先进机器人设计和制造方面的杰出科学家为大家展示并解读机器人令人叹为观止的能力。我们还邀请了浙江大学湖州研究院院长许超博士和Science Robotics主编Michael Lee博士做客本期栏目，探讨机器人发展的现状和未来。

2022年7月20日 13:00-17:10 pm

专家介绍和报告摘要

Pakpong Chirarattananon目前在香港城市大学生物医学工程系担任副教授。他2014年在美国哈佛大学获得工程科学的博士学位，之前在英国剑桥大学获得本科和硕士学位。他的研究兴趣包括仿生机器人和微型飞行器。Chirarattananon博士在国际知名期刊Science，Nature，Science Robotics和IEEE TRO上发表过多篇论文。他是IEEE TRO 2021年傅京孙最佳论文奖获得者。他在仿生机器人领域的多个工作被国际知名媒体如BBC，NPR，IEEE Spectrum报道。

报告题目：一款具备高效悬停飞行能力的植物仿生学旋转翼无人机

摘要：

在小型旋翼机中，使用多个结构紧凑转子的简单设计可以获得很高的敏捷性和机动性，但是也不可避免地带来高能耗和耐力减退。我在本次报告中将以仿翅果机器人为例阐述如何应用生物仿生原则显著减少小型飞行器的能量消耗。我们将展示一款35.1克重的双翼飞行器在动力回转支持下的悬停飞行。这款低驱动机器人有大尺寸旋转翼并装配了2个转子。与常规多转子机器人相比，这款无人机显示了2倍的能耗减少。它可以持续飞行14.9分钟，如果装配更大容量电池则可以飞行24.5分钟。借助高速回转运动的优势，我们实现了在21.5克载荷下的定位、测绘和监测飞行。

高飞，博士，浙江大学控制学院博士生导师，FAST实验室技术负责人及FAR课题组负责人；浙江大学湖州研究院-集群机器人自主导航研究中心PI。研究方向包括空中机器人、集群机器人、运动规划、环境感知、传感器融合、SLAM等，过去五年在Science Robotics，IEEE Transactions on Robotics，Journal of Field Robotics，IEEE Automation and Robotics Letters等机器人领域知名期刊，及ICRA，IROS，ISRR，ISER等机器人领域知名会议发表论文60余篇；研究成果被国内外媒体如Science、AAAS、IEEE Spectrum等多次报道。高飞博士曾获IEEE TRO 2020年傅京孙最佳论文荣誉奖、IEEE SSRR 2016年最佳论文奖、IEEE/RSJ IROS 2021年最佳应用论文奖提名；担任IROS/ICRA编委及分会主席等职务。

题目：野外微型空中机器人集群

摘要：

空中机器人近年来得到了广泛应用，但高度杂乱的野外如茂密的森林，仍然是空中机器人无法进入的，这对于蜂群更甚。在这些场景中，未知的环境、狭窄的通道和群体协同需求可能会带来挑战。为了在野外实现集群导航，我们开发了微型自主无人机，其轨迹规划算法可以根据来自机载传感器的有限信息快速准确地运行。规划算法可满足各种任务要求，包括飞行效率、障碍物和机器人间的碰撞避免、动力学可行性、集群协同等，拥有高度的拓展性。此外，该规划算法基于时空联合优化，在调整轨迹形状的同时同步调整时间分配。因此，即使在最受限的环境中，它也能在几毫秒内充分利用解空间，获得高质量的轨迹。该规划算法最终集成到了手掌尺寸的集群平台中，同时该平台具有机载感知、定位和控制功能。性能比较验证了规划算法在轨迹质量和计算时间方面的优越性能。多种实物实验证明了系统的可扩展性。综上所述，提出的系统解决方案在三个方面推动了空中机器人技术：杂乱环境导航能力、多任务需求下的可扩展性，以及不依赖外部设施的集群协同。

丁亮，2010年毕业于哈尔滨工业大学获博士学位，现为哈工大机器人与系统国家重点实验室教授，国家级高层次人才。研究兴趣包括星球探测车、野外足式机器人、机器人力学与智能控制。他主持国家重大科技专项课题、国家重点研发计划课题、国家自然科学基金优青项目等30余项。在Nature/Science子刊、IEEE TCyber/TRO、IJRR等发表SCI论文120余篇，其中Science Robotics封面论文1篇，获授权中国和美国发明专利70余项。研究成果应用于“玉兔”系列月球车、“祝融”号火星车、野外重载足式机器人。他曾获国家技术发明二等奖、黑龙江省自然科学一等奖、黑龙江省技术发明一等奖、ISTVS Söhne-Hata-Jurecka奖、熊有伦智湖优秀青年学者奖、首届“上银”优秀博士论文佳作奖等。

题目：“玉兔二号”月球车两周年的月球背面移动与科学探测

摘要：

虽然许多无人和载人任务已经对月球正面进行了探测，但月球背面情况仍然鲜为人知。由于地外环境恶劣，月背探测充满了挑战性，高效移动的星球车对探测高科学价值的地质特征极其必要。“嫦娥四号”任务已成功实现月球背面着陆，并携带了遥操作月球车（“玉兔二号”）在冯卡门撞击坑内进行移动探索，以获取有关月壤风化层、撞击坑和岩石等的丰富信息。本文报道了“玉兔二号”月球车在月球背面最初2年的移动探测情况。在其行进过程中，“玉兔二号”经历了不同程度的轻微滑转和滑移，表明着陆区地形在大范围上较为平坦，局部零星分布着平缓的斜坡。车轮上的粘土现象暗示着该着陆区的月壤内聚力比其他月面着陆点相对更大。进一步的参数辨识结果表明，该着陆区月壤风化层的承压特性与地球上的干沙和沙壤土类似，显示出比阿波罗任务期间得到的典型月壤更大的承压强度。沿途上岩石稀少，与此形成鲜明对比的是存在大量具有单侧溅射物的小型新鲜陨石坑，其中一些撞击坑底部含有强反射性物质，提示为二次撞击事件。上述发现暗示了月球背面和正面在表层地质特征方面存在显著差异。“玉兔二号”的发现提升了我们对月球背面的理解，进而帮助我们设计制造移动更高效、探测范围更大的月球车。

文力，北京航天航空大学机械工程及自动化学院教授，担任学院机电工程及自动化系主任，Soft Robotics杂志副主编，Bioinspiration Biomimetics执行编委，中国自动化学会机器人智能等多个委员会委员。国家自然科学优秀青年科学基金获得者。长期从事软体机器人、机器人智能、仿生机器人研究工作。主要研究成果发表在Science Robotics, Science Advances, Nature Communications, Int. J. Robot. Res. (IJRR), IEEE Trans. on Robot. (TRO) 等期刊发表SCI/EI论文100余篇。相关研究成果被《Nature》,《Science》多次图文/视频撰文介绍。文力获得Steven Vogel Young Investigator Award（斯提芬·沃格尔青年探索者奖），熊有伦院士智湖优秀青年奖等。相关科研成果获中国自动化学会自然科学奖一等奖，北京市教育教学成果奖一等奖等。

题目：跨介质仿生吸附机器人

摘要：在该研究中，我们首先进一步揭示了吸盘鱼的冗余吸附机理。吸盘鱼的吸盘具有单独的板层隔室，用于冗余密封，这个特征使得其在水下和空气中均可长时间吸附在各类复杂表面（包括弯曲、粗糙、不完整和生物污染表面）。并结合吸盘鱼的自适应吸盘，并且从自然界生物的自折叠现象中获取灵感，我们设计了可以在水空界面自折叠的跨水空介质机器人，完成了一个自供能的吸盘鱼机器人（吸盘鱼机器人2.0版本）。该机器人可以飞行，游动，连续跨越介质（跨越时间仅0.35秒），以及吸附在空气和水下的各种复杂表面上。该机器人还首次实现了在空气/水下对具有一定相对速度运动表面上的自适应吸附。该机器人在淡水湖泊，河流，海洋中均可以实现水空跨越并抓取物体。我们相信，在该研究的基础上，未来机器人可以实现空中及水下实现跨介质识别，跟踪，以及作业抓取等。

赵慧婵，清华大学机械工程系副教授、博士生导师，IEEE Transactions on Robotics副主编。2012年获得清华大学机械工程学士学位，2017年获得康奈尔大学博士学位，2017年至2018年在哈佛大学从事博士后研究，2018年7月起在清华大学机械工程系任教。近年来，主要从事软体机器人、机器人高功率密度驱动技术、柔性传感器等方向的研究，在Nature、Science Robotics、Nature Communications, IEEE Transactions on Robotics、Advanced Functional Materials等期刊发表学术论文。获评熊有伦智湖优秀青年学者奖、清华大学第十七届“良师益友”奖、阿里达摩院青橙学者等。

题目：柔性人工肌肉技术及其机器人应用

简介：

近年来，以软材料作为本体材料的软体机器人技术发展迅速。软体机器人普遍具有更柔顺、更安全、更低能耗的运动模式，软体机器人发展过程中催生的新理论和新技术，丰富和拓展了机器人研究的内涵和思路，驱动技术就是其中之一。对软体驱动器进行研究，有望开发出高性能的通用人工肌肉，对电机和马达驱动进行替代或与之结合，促进整个机器人领域向前发展。然而，目前的软体驱动器尚未发展为性能稳定、可以规模化应用的人工肌肉技术。在这次报告中，我将对介电弹性体柔性驱动器的发展现状进行分析，汇报近期我们在这类驱动器的制备、建模、设计和机器人应用上取得的研究进展，并探索其未来发展方向。

张一慧，清华大学长聘教授。长期从事软物质力学、三维微结构组装、柔性电子技术等领域的研究。发表学术论文160余篇，被他引11,000余次。作为通讯作者，相关成果发表于Science、Nature、Science Robotics、Nature Materials、Nature Reviews Materials、Nature Electronics、NSR、Science Advances、Nature Communications、PNAS、JMPS等高水平期刊，其中十余篇论文被Science、Nature、Nature Materials、Nature Electronics、Nature Reviews Materials、Science Advances等期刊选为封面文章。曾获科学探索奖、麻省理工学院技术评论“全球35位35岁以下创新者”、美国机械工程师协会（ASME）Gustus L. Larson Memorial Award、国际工程科学协会青年学者奖章、ASME Thomas J.R. Hughes青年学者奖、香港求是杰出青年学者奖、ASME Sia Nemat-Nasser早期职业生涯奖、Eshelby青年力学教授奖、ASME Melville Medal、科睿唯安全球高被引学者等荣誉。兼任Science Advances、Research、Mechanics of Materials、Journal of Applied Mechanics和International Journal of Smart and Nano Materials的Associate Editor，国际工程科学协会执委会成员等职务。

题目：亚毫米尺度的遥控步行机器人

摘要：

亚毫米尺度的机器人在微纳米制造与组装、微创外科手术、细胞与组织操控等领域具有广泛的应用前景。但是，由于材料/结构设计与制备方面的挑战，目前的微型机器人大部分仅能在液体环境中运动，很难在固体表面通过远程控制来实现多方向、多模态的运动。本报告将首先介绍一种力学引导的微尺度三维结构组装方法，该方法将屈曲力学的原理与现代化半导体产业中非常成熟的平面制备工艺相结合，将容易成型的二维薄膜图案通过压缩力的作用变形成目标三维结构，从而形成了一套可适用于复杂三维几何拓扑的多材料微结构的组装方法体系。其次，将介绍基于该三维组装方法研制的一类具有多种运动模式的亚毫米尺度机器人。这类机器人由聚酰亚胺、形状记忆合金和二氧化硅外壳组成，并利用各层之间的热失配产生可逆的驱动变形。通过改变机器人的结构设计和激光加热不同区域的时序，可以实现十分丰富的运动模式，包括弯曲、扭曲、爬行、行走、转弯、跳跃等。如果将角锥棱镜和半透明变色材料集成在这些机器人上，则可以实现额外的定位与遥测功能。通过设计制备针对湿度、酸碱度、紫外辐照强度的变色材料，则可以基于微型机器人实现这些物理、化学量的远程测量。该报告将介绍一些相关的研究进展。

特邀嘉宾及主持人简介

许超，毕业于美国理海大学获博士学位，浙江大学控制科学与工程学院教授，博士生导师。现任浙江大学控制科学与工程学院副院长、浙江大学湖州研究院院长，兼任Journalof Industrial & Management Optimization及IET Cyber-systems & Robotics期刊执行主编；从事“控制与自主系统”研究；先后在Science Robotics以及IEEE Transactions等国际期刊上发表论文百余篇；带领团队攻克智能集群飞行核心技术，被Science、IEEE-Spectrum报道；带领团队在多项重要机器人赛事中获奖，如国际空中机器人大赛世界冠军（2018年）、第二届智能无人机系统挑战赛季军（2021年）、“跨越险阻”水上赛亚军（2021年）等。作为中方代表出席中美工程前沿论坛（2017年）并作大会报告，任世界帆船机器人大赛（WRSC）暨大会主席（2019年）。2020年八月以来，负责筹建浙江大学湖州研究院，扎根地方积极谋划，多措并举高水平建设新型研发平台，全球延揽优秀人才，组建了逾300人规模的高起点科研团队，积极服务湖州优势企业技术创新，形成以“智能+”为研发特色以“创新+转化”为内核的双轮驱动发展模式，搭建了以STEM+B智乎科创学院和“潮音桥”路演平台TideTalk，构筑人才、技术、资金、资源、管理五位一体的产业孵化育成平台；组建智能无人系统湖州市重点实验室、建设工业控制技术国家重点实验室西塞山基地、中国自动化学会“浙江大学湖州研究院人工智能与机器人科普基地”。

Michael M. Lee博士现任Science Robotics的内容主编。在加入Science Robotics之前，他是Nature Electronics的共同创刊编辑。他的编辑生涯始自Nature Communications，担任副编辑，负责处理应用物理和工程类研究的稿件审理。在编辑工作之前，他曾在Paul Scherrer研究所和英国牛津大学学习和工作。

樊巍博士现任Science/AAAS外联与战略伙伴发展副总监。在加入Science/AAAS之前，他在Nature系列期刊的Nature Communications期刊担任高级编辑，负责处理凝聚态物理领域的稿件审理。在从事编辑工作之前，他在中国科学院获得博士学位，并在日本国立理化学研究所（RIKEN）从事科学研究。