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            首都科學講堂第668期《幾何機器人新境界》

            信息來源:北京科學中心      發布時間:2020-10-25

              2020年10月24日,首都科學講堂線上開講,本次首都科學講堂邀請了北京交通大學教授、博士生導師、機器人研究中心執行副主任姚燕安,為大家帶來題為 《幾何機器人知多少——科學美學新境界》的精彩講座。

              

              

              幾何機器人知多少——科學美學新境界

              所謂幾何學,就是用最簡單的點與線,創造出最復雜多變的空間,那么,當奇妙的幾何學遇上了千變萬化的機器人又會迸發哪些令人意想不到的創意火花呢?無論三角形還是四邊形,這些看似簡單的幾何圖形是如何搖身一變,成為既萬能又多面的超級機器人的?是變形金剛更是幾何芭比,幾何機器人身上還藏著哪些不為人知的大秘密。

              第一講 幾何機器人——“升級版變形金剛”

              機器人,是能代表我們所處時代科技最高水平的一種技術。談到它,我們最熟悉的應該是腿式機器人,作為一種最傳統的機器人,人類在制作這種機器人的時候參考的是自己,因此它們也被叫做仿人機器人、兩足機器人或仿生機器人。然而,機器人其實是一個非常寬泛的概念,在這個大家族中,其實還有很多我們以往不太熟悉但實力非常強大的成員,比如說幾何機器人。

              A)四面體移動機器人

              B)立方體模塊化機器人

              C)整體閉鏈足式機器人

              之前我們提過,機器人家族中有一些成員是我們比較熟悉的。比如說仿生機器人,像模擬小狗的四足機器人和模擬蛇類爬行的蛇形機器人;還有一些非仿生機器人,比如給一輛四驅車安裝上攝像頭和探測器,這讓它們有了感知系統、移動系統和控制系統,如果再配上一套能像人腦一樣計算思考、判斷識別的智能軟件,那它就可以被叫做“輪式機器人”。

              然而,除了以上這些比較常見的“爆款”,還有一種機器人的知名度雖然不太高但是實力卻非常強,它的名字叫做幾何機器人。

              只說名字可能比較抽象,我舉個例子大家就能明白了:這款鐵馬多足機器人就是一款極具代表性的幾何機器人,它的設計思想源于魯班木車馬。它有16條腿,是國內目前奔跑速度最快的機器人,除此之外,它的繞桿、負重爬坡和爬山能力也很強大,尤其是在山區它還能變身成為運輸平臺,通過遠程遙控或者人機伴隨的方式讓它運貨。基于這個概念,此后我還提出了“連桿式整體閉鏈地面移動機器人”這個概念,希望讓幾何機器人能更好地適應復雜地形和環境,更好地幫助人類搶險救援、軍事作戰甚至是進行星球探測。

              在幾何機器人這個家族里,三角形機器人是最常見的一種多邊形機器人。理論上,這種機器人是非常穩定的,因為三角形本身就是最穩定的圖形。為了讓三角形動起來,我們用三個電動機驅動三角形的三條邊,讓它變得可伸縮。這樣,由三條邊組成的三個角“動”了,三角形本身也就能變形了,如果再裝上兩只腳,那么這個三角形就真的能“動”了,如果再給它裝一個可以“抬腳”的電腦程序,那這個三角形就可以被稱作“兩足三角形機器人”了。

              這類機器人看著簡單,實則卻是對傳統機器人的一種顛覆和突破——它掙脫了以往機器人在形態和形狀上的束縛,僅僅依靠幾何圖形原理,就獲得了步行三角機器人、滾動三角機器人、四邊形機器人、六邊形機器人……甚至像雪花機器人這樣復雜的機器人都不成問題。最為重要的是,它們適應復雜環境的能力也更強,工作效率也更高。   

              除了這些平面幾何機器人,幾何機器人中還有一種機器人叫立體幾何機器人,這是一種基于正多面體原理而創造的多面體機器人,比如四面體機器人。

              那么,怎么做才能讓這種有四個三角形的四面體機器人動起來呢?其實原理也很簡單,最重要的就是讓這四個三角形能變形。在三角形機器人中,動起來的是“可伸縮的線”,那么在四面體機器人中,動起來的就是“可轉動的角”。為此,我們給四面體的六條邊加上六個電動機,讓這六個電動機在電腦的控制下,能按邏輯協調地“走路”,甚至是爬行和翻滾。加之這種四面體機器人的高度和寬度也可以變化,能夠“扭動”,因而特別適合爬山和鉆洞,屬于變形能力超強的機器人。

              類似地,我們還做出了由三棱柱構成的五面體機器人、“步伐”更“風騷”的正六面體機器人、削棱截角多面體機器人、網格機器人和可重構多模式變形機器人……可以說,它們是真正意義上的“超級變形金剛”。

              第二講 幾何機器人中的神奇科學原理

              那么,如此厲害的幾何機器人到底“依仗”了什么神奇的科學原理呢?

              首先當然是重心原理,它是讓這些幾何機器人“動起來”的核心。大家都知道,每一個物理實體都有一個重心,幾何機器人利用的就是這個概念。以三角形機器人為例,我們通過改變邊的長短讓它的重心發生變化,機器人的重心不穩時就會摔跤,而通過一次次的“摔倒”,三角形機器人就間接實現了“運動”。

              除了重心原理,運動學原理也很重要。利用重心原理,我們是讓機器人動起來了,但是要讓它以多大的速度滾動前進呢?這時候就需要計算它的運動了,運動學就派上了用場。

              除了這些,為了讓幾何圖形角度發生變化,我們還需要電動機提供動力——通過電動機產生力和角速度,驅動邊長發生變化,最后機器人才能真的動起來。為了讓機器人反復不斷地連續運動,我們就得研究一個更加實用的問題:需要多少個電動機才能“剛好”讓機器人動起來?為了控制好這個機器人,傳感器要怎么安裝?如何通電才能給機器人帶來適當的驅動力和速度?能源系統開關要如何設計?想要實現邏輯控制,它的電路圖設計應該是怎樣的?……想要解決這些問題,電力學也很重要。

              為了讓機器人能產生復雜的運動和產生自主的運動,也要掌握充足的計算機知識——為了方便遙控,機器人就需要微型電腦、需要控制系統;為了讓它能自己決定怎么運動,就需要傳感器;為了讓它能看到地形、了解外部環境,還需要有攝像頭……總而言之,這些機器人每個看似簡單的運動背后,其實都是靠一個個巧妙設計支撐,這既需要幾何知識也需要物理、電學和計算機方面的扎實理論基礎。

              第三講 何以為用?幾何機器人的工程應用

              也許有人會問,適應力強、功能更多、綜合戰斗力更強的幾何機器人,真的能成為我們人類的好幫手嗎?耗時耗力地開發它們,到底有什么用呢?這其實是一個很好的問題。

              在古希臘,偉大數學家歐幾里德也曾被問過類似的問題——學幾何學有什么用?當時歐幾里德對這個問題很反感,因為從開創幾何學開始,他本人就希望能更多地強調它的形式邏輯,而非實際應用的效果。這種“不接地氣”的想法,其實卻代表了一大部分數學家和哲學家的想法——他們不希望數學和哲學變得世俗,畢竟,只要考慮實際應用,人們就會受到這種思維的約束,會從邏輯體系上對人產生束縛。

              回到機器人設計上,我們設計機器人的目的其實很明確,就是為了它的實用性、為了它的工程應用意義,就是為了通過科學造福人類、解決人類的實際問題。

              比方說,這種叫變形輪的幾何機器人。我們都知道,圓形輪子能在快速平坦的地形上快速移動,卻不擅長爬臺階。為了讓這種機器人克服這些困難,讓它能爬臺階,我們就通過連桿結構設計讓輪子能變形,這樣在跨障礙時,它能爬臺階,等走到了平地時,它又能變回圓形輪子繼續快速移動。對于這樣的機器人,我們給它安裝上攝像頭、放上諸如生命探測儀這樣的感知系統,它就能快速適應各種復雜的野外環境,不管是在民用還是軍用方面它都有很大的發展潛力。    

              除了它,兩棲機器人也屬于多面體機器人中實用性很強的。對于這種機器人,一方面它的高度、寬度、體積可以隨時按需變化,另一方面桿狀結構設計的阻力很小,因而這種機器人既能適應復雜的陸地環境,也能更好地克服水底的阻力,尤其是在用上了液壓系統后,它就特別適合在有礁石、有沙灘的海底前行。跟變形輪機器人一樣,根據不同的需要我們可以給這種兩棲機器人安裝不同的載荷,這樣,包括水文測量、地形測繪甚至是排雷掃雷這種工作它就都能完成了。

              除了以上提過的幾方面,幾何機器人其實還有更加廣泛的應用,甚至在醫學界和文娛界都有很大的潛力,比方說我們曾經開發過一款醫療用的鐵馬機器人,它能為患者提供運動療法。這款機器人的承載能力很突出,不僅穩定也很“皮實”,可謂是世界上第一款真正能移動的醫療機器人。

              人類設計機器人,其本意是為了幫助人類完成某些復雜的、危險的、繁重的甚至是不可能完成的任務,然而在設計幾何機器人的過程中,我們不僅希望它在實用性上達到預期,還希望在別的領域——比如在藝術、哲學方面這些超出工程應用之外的方面,也能達到一個全新的高度。

              第四講 藝術探索:幾何機器人的美與哲學

              上文提到過,我們對幾何機器人有著更高的期待,比如說藝術方面的探索。

              可能有人對我的這個想法表示疑惑:一個搞科學的人做出來的高科技產品,又跟藝術有什么關系?對于這個問題,我不得不提兩個人——塞尚和達·芬奇。

              塞尚在西方被稱為“現代藝術之父”,因為他開創了包括立體主義、抽象藝術在內的新現代藝術。他提出要用圓柱、圓球、圓錐體來表現自然,因為在他看來,用最基礎的幾何元素比如球、柱、錐更能表現自然的本質。受此啟發,我也希望能把幾何機器人這種由簡單幾何形狀構成的東西升級為“移動的美術”——賦予最基本的幾何形態以動態感,進而把它作成一種獨屬于機器的行為藝術。

              至于達·芬奇,可能很多人并不知道,他不僅是一位畫家,還是一個設計過很多裝置的科學家,他深諳藝術背后的運動哲學和機理。以《蒙娜麗莎的微笑》為例,其實蒙娜麗莎本人并不算是一個美人,但是她的微笑卻非常神秘,而這種神秘感的本質實則是一種巧妙的肌肉動作,在色彩美術的配合下,這種運動的奧妙之美就變得更加閃耀了。

              運動力學中蘊含著別樣的藝術之美,我們是可以讓機器人達到這種全新的藝術境界的。

              在中央美術學院,我開了一門叫“機器人動態雕塑”的課。在這里,我們把動態的運動學融匯到了靜態的雕塑里,制造了能活動的雕塑,即動態雕塑,這種可以活動的雕塑就好似被賦予了生命一般,但我們想要的不止是這些,我們還想讓機器人有更深層的藝術內涵、人文內涵。為此,我們又嘗試制造了“不撞南墻不回頭”的滾步圓柱形機器人。通過這個點子做出來的展品當時非常受歡迎,也就是從那一時刻開始我意識到,科技與藝術的融合是要讓冷冰冰的機器人變得有溫度,讓它的行為包含一定的情感,讓它們能有一些類似的人文行為。在我看來,這就是“天人合一”“人機一體”。

              我希望大家能意識到,機器人不是冷冰冰的存在,它們不只是鋼鐵和運動,它們也能有巧妙的造型和美妙的藝術情懷,甚至是更深層次的人文精神和哲學精神。  

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