由1959年第一臺工業(yè)機器人降生以來，科學(xué)家就一向癡迷于機器人的設(shè)計取空想。不外，機器人的呈現(xiàn)是為了幫忙或替換人類開展更好的事情，而今大多的機器人仍然是硬邦邦的“硬漢”。
關(guān)于機器人而言，“硬”照舊“軟”的挑選是近年來才發(fā)生的一個題目。人類正在不竭擴大自身的想象力和創(chuàng)造力，開收回軟萌如“明白”的機器人，這類使用柔性質(zhì)料來制造的機器人，被稱為軟體機器人。
當(dāng)前，這一研討正在學(xué)術(shù)界方興未艾地進行著，西安交通大學(xué)機器工程學(xué)院傳授張進華正在盡力開辟一種高性能的軟體機器人，期望能在醫(yī)學(xué)、軍事、探測、工業(yè)等行業(yè)獲得更多的利用。
他說：“現(xiàn)階段，軟體機器人的生長還不克不及完整替換剛性機器人，內(nèi)柔外剛、軟硬兼?zhèn)溥€許是機器人生長的一個主要標(biāo)的目的。兩者缺一不可，我們還要繼承起勁。”
▲張進華
最好的支配：挑選機器
張進華高考的那一年，恰逢西安交通大學(xué)100周年校慶，遮天蔽日的校慶宣揚流動，讓遠正在山東的他知道了西北有一所歷史悠久、秘聞深厚的百年名校。而西安交通大學(xué)的機械工程學(xué)科更是正在全國首屈一指，因而張進華幾乎沒有猶豫地挑選了它。
“我身世于鄉(xiāng)村，本來是想本科畢業(yè)以后直接事情的。”張進華坦言人生老是會有許多的不測，成就良好的他正在本科畢業(yè)時順?biāo)毂Ｑ小Ｗx研以后，張進華對科研的愛好更加激烈，他憑仗碩士時代的良好成就留校事情。
“留校以后，天天忙著科研和教授教養(yǎng)的與此同時深刻意想到攻讀博士學(xué)位的重要性。”西安交通大學(xué)優(yōu)良的學(xué)科氣氛和身旁教員賜與的扶助讓張進華挑選正在本校正在職讀博。
“十幾年的工夫轉(zhuǎn)瞬即逝，西交大就和我的家一樣，我對黌舍有依靠感，想繼承留正在這兒事情。”博士結(jié)業(yè)后，已為科研事情做好常識貯備的張進華正式正在母校開端了新興取傳統(tǒng)賡續(xù)碰撞的科研門路。
將來的福音：病愈軟體手
據(jù)不完全統(tǒng)計，2016年環(huán)球新增中風(fēng)病人1370萬，僅中國就占了40%，個中絕多數(shù)人在病發(fā)后失去了手部功效。傳統(tǒng)的醫(yī)治手腕關(guān)鍵依賴病愈醫(yī)師幫助病人開展樞紐運動和肌力鍛煉，但其鍛煉結(jié)果受大夫履歷和業(yè)務(wù)水平及鍛煉時候等因素的危害。因此有良多研究者研發(fā)了相干的病愈機器人幫助病人鍛煉以從新獵取肢體的運動性能。
“病愈師正在病愈進程中會和病人開展交換，來激起病人的主動病愈認(rèn)識，然則現(xiàn)階段的機器人還做不到人機交互。”張進華說，應(yīng)對這類情形，科研人員提出了一種叫“腦機接口”的解決方案：人體一般的神經(jīng)通路，是由大腦收回一個神經(jīng)旌旗燈號以后，經(jīng)由過程神經(jīng)元傳到肌肉動員骨骼開展活動，然則病人中風(fēng)以后神經(jīng)旌旗燈號沒法傳導(dǎo)到肌肉，所以由外部接一個通路，如戴腦電帽，把病人的腦電旌旗燈號提取出來，判定病人的活動企圖，再轉(zhuǎn)化為機器人的號令。
“那樣的解決辦法有兩個益處：一是讓病人有主動的活動志愿，到達主動病愈的結(jié)果；二是中風(fēng)的病人更多的是肢體不可以活動，根據(jù)辨認(rèn)病人主動的肢體活動企圖，然后掌握機器人幫助病人舉行活動，到達主被動融合的病愈結(jié)果。”
張進華將腦機接口病愈手藝的道理取軟體手藝舉行連系，以此開收回病愈軟體機器人。今朝正在市場上，幫助病愈的剛性機器人比較多，然則剛性機器人力氣比較大，碰上中風(fēng)病人痙攣的時辰，可能對病人導(dǎo)致?lián)p傷。而軟體機器人雖然力氣較小，然則仍然可以動員病人的胳膊大概手往活動，縱然病人呈現(xiàn)痙攣的情形，因為它本身是軟性資料，還沒有會對病人導(dǎo)致?lián)p害。
張進華和團隊已樂成研制出基于正負(fù)氣壓驅(qū)動的軟體病愈手。這一氣動軟體病愈手唯一149克，接納開放式手套，根據(jù)短驅(qū)動能夠輔佐手指實現(xiàn)舒展或愚昧活動和拇指的內(nèi)收或外展活動的主動練習(xí)。“我們和第四軍醫(yī)大學(xué)、北京清華長庚醫(yī)院的病愈科都有交換，根據(jù)相識他們病愈科的需求，進一步完善我們的軟體病愈手。”張進華說。
將軟體技能運用于腦機接口病愈技能，打破了病愈機器人全是剛性機器人的傳統(tǒng)思緒，軟體機器人能夠充分利用其本身的柔順性、非線性、粘彈性和遲滯特征，低落操縱的復(fù)雜度，實現(xiàn)高靈活性、強適應(yīng)性和較好交互性，將來正在醫(yī)療病愈范疇有主要運用價值。
“將來老齡化社會，中風(fēng)的人會越來越多，術(shù)后病愈市場還是有大的需求，可是病愈機構(gòu)數(shù)目少、范圍小，本錢還比較高。”張進華說，軟體病愈手主如果應(yīng)對小我私家，體積較輕、本錢昂貴、掌握精度高、穿著舒服、寧靜便攜，可以順應(yīng)差別醫(yī)治階段的需求，完成根基的病愈舉措，進步病人的病愈效力。正在中風(fēng)病人渡過危險期后，病人可以借助軟體病愈手正在家開展自我病愈，減輕病愈訓(xùn)練本錢。
用“暖和”的軟體病愈手替換以往“冷漠”的剛性病愈機器人，既節(jié)儉了本錢，又能給病人帶去更多的人性關(guān)切。
以柔制剛：軟體仿生
除研討病愈機器人，軟體機器人研討行業(yè)最前沿的研討標(biāo)的目的之一便是軟體仿生機器人。一次無意的學(xué)術(shù)交換，讓張進華注重到了軟體仿生機器人這一新興的研討行業(yè)。他正在取香港中文大學(xué)王煜傳授交換的過程中，聊到毛毛蟲的仿生布局時倏忽有了靈感。
張進華發(fā)現(xiàn)了一種叫尺蠖的無脊椎動物，長得和毛毛蟲相似。尺蠖的身體可以蜿蜒、扭曲、褶皺，與此同時可以操縱靜態(tài)靜水力學(xué)轉(zhuǎn)變身體張力實現(xiàn)身體懸臂，經(jīng)過肌肉的收縮和腹足的合營實現(xiàn)匍匐，可正在粗拙的樹干、樹葉、空中、草地上等龐大環(huán)境里完成靈動的活動，并且正在匍匐過程中，可以使其接觸環(huán)境保持穩(wěn)定沒有晃悠，保障了其活動的穩(wěn)定性和安全性，與此同時還具有撲食獵物的伎倆。是以，正在張進華看來尺蠖是一種十分抱負(fù)的軟體機器人仿生工具。
“尺蠖的活動雖然很龐雜，然則尺蠖的神經(jīng)卻很是簡樸，它采納柔性靜水骨骼替代了脊椎動物體內(nèi)的剛性骨骼組織，并哄騙肌肉的生物智能，實現(xiàn)了龐雜非構(gòu)造環(huán)境下的高自由度的空間活動，大大促進了其活動的多樣性。”
是以，張進華想鑒戒尺蠖的神經(jīng)節(jié)制機理，為軟體機器人的節(jié)制供應(yīng)新的門路。依據(jù)以上的研討發(fā)明，張進華申請到了國度自然科學(xué)基金面上項目——“基于尺蠖肌肉生物智能的軟體機器人自適應(yīng)低維節(jié)制研討”。
除此之外，張進華還主持了關(guān)于仿生魚的國度自然科學(xué)基金龐大研討設(shè)計培養(yǎng)項目——“軟體顛簸推動機械人龐雜形態(tài)盤算取優(yōu)化設(shè)計研討”和國度自然科學(xué)基金面上項目——“基于柔性被動自由度感知加強的仿蝠鲼機械魚和諧操縱研討”。在這里兩個項目中，他研討的工具是海洋中的軟骨魚類，此中蝠鲼和魟魚憑仗其奇特的身體構(gòu)造和高效的活動才能，已成為水下自立式飛行器的首要仿生工具。
蝠鲼和魟魚身體扁平，柔嫩的胸鰭分布于身體兩側(cè)。正在游動過程中，經(jīng)由過程兩側(cè)胸鰭有節(jié)律的拍動或顛簸變形推動身體活動，可完成巡游、轉(zhuǎn)彎、起、停和姿勢維持的游動推動舉措，擁有高游動效力和高速轉(zhuǎn)向的才能。
正在張進華看來，假如尺蠖能夠看做一個一維的梁單位，那末蝠鲼和魟魚則屬于一個二維的軟體單位。由于蝠鲼和魟魚全是具有無限自由度的連氣兒體，它們經(jīng)由過程自身的主動或被動變形取周圍環(huán)境相互作用，進而完成本身的活動需求，充分發(fā)揮它們的形態(tài)學(xué)測算（MorphologicalComputation）本領(lǐng)。
張進華首先從仿生的角度相識到生物主動變形和被動變形的多少層面的“形”，再進一步相識到生物的剛度分布取主動變更的物理層面的“態(tài)”，終究經(jīng)過多少和物理層面的“形-態(tài)”深度仿生為軟體機器人設(shè)計給予新的思緒。
▲張進華取團隊畢業(yè)生合影
探索不息：傳統(tǒng)軸承
正在開展軟體機器人仿生研討的與此同時，張進華還對傳統(tǒng)滾動軸承技能有深度的研討。新興的軟體機器人、人機交互研討和傳統(tǒng)的滾動軸承技能研討只管看上去驢唇不對馬口，但正在張進華眼中卻是有頭有尾。
由外形上看，軟體機械人和轉(zhuǎn)動的軸承技能并沒有什么聯(lián)系關(guān)系。然則張進華由內(nèi)部建模入手，發(fā)明轉(zhuǎn)動軸承是一個典范的多體動力學(xué)模子，多個組件一同活動。而尺蠖也是哄騙許多肌肉開展分布式驅(qū)動，是一個偏偏柔性的多體動力學(xué)模子，正在機理上有相通的中央。
“這兩年國度的高鐵建立成長很快，高鐵列車的核心技能已實現(xiàn)完整自主化出產(chǎn)，但要害零部件如高鐵軸承照樣須要依托進口。”國度對要害軸承技能的火急需求，是張進華及其團隊一向致力于軸承技能理論闡明和研討的主要原因。
正在軸承研討上，張進華遭受了許多波折。他發(fā)覺，滾動軸承內(nèi)部空間十分狹窄，現(xiàn)有的丈量手腕很難正在線測試其內(nèi)部的狀況。其次因為滾動軸承的活動比較復(fù)雜，它的各類摩擦力和接觸狀況還十分復(fù)雜，建模盤算時有許多系數(shù)需求舉行挑選，但究竟應(yīng)當(dāng)如何選，現(xiàn)正在只會經(jīng)由過程履歷來選，這一些系數(shù)背后的機理卻難以厘清。
“這多是那時對我來講最大的波折了。”張進華意想到書本上的理論雖然說得井井有條，可是對實際中若何指點軸承的設(shè)計還存在不小的差異。
“我們不知道的事情實在是太多了，這也是我對峙干軸承的一個緣由。”今朝張進華的同事在干的事情是根據(jù)紅外線或激光的體式格局，利用特別質(zhì)料，放到軸承內(nèi)部，當(dāng)其溫度產(chǎn)生轉(zhuǎn)變的時分，激光的波長就會產(chǎn)生改動，這類非接觸的丈量體式格局可認(rèn)為他們揭露軸承內(nèi)部溫度的轉(zhuǎn)變。
張進華還暗示，下一步想嘗試用超聲波的體式格局來檢驗軸承內(nèi)部潤滑油的轉(zhuǎn)變，他們?nèi)匀辉谔剿鞯穆飞稀?/p>
最大的挑釁：對峙最難
作為一位科研事情者，張進華的生活老是和科研分不開。雖然事情繁忙，可是大學(xué)相對彈性的事情時間讓他能更有針對性地處置家庭和事情上的事情。
勞碌的事情之余，張進華最愛往籃球場上揮灑汗水，“打籃球是上大學(xué)以后獨一一個保持下來的活動，今后也要繼承保持下往”。張進華以為活動是非常重要的事情，正在球場上的時刻，他不消思量生活和科研的事情，只是地道地往活動，正在出過一身汗后，釋放掉一些過剩的壓力。
十余年的科研閱歷讓張進華了解，前行的路上總能碰到?jīng)]法預(yù)知的困難，最困難的是不是碰到解決不了的困難，反而是碰到困難以后能不能對峙下去，對峙以后能不能找到解決辦法，這才是最大的挑釁。
“好比我們現(xiàn)在做軟體，智能資料、驅(qū)動資料是制約其進展的最大題目。”軟體仿生用到的硅膠資料和生物本來的材質(zhì)相差很大，若何辦理呢？張進華說他們經(jīng)過改動硅膠資料的布局，模仿生物肌肉的特征，盡量地保證類似，再設(shè)計實驗開展測試，經(jīng)過相干的研究結(jié)果再開展不竭的改良。
張進華自嘲本人有點“受虐”體質(zhì)，良多時分他沒有盼望研討一步到位，反而是盼望可以正在研討過程中碰到新題目，如許更能引發(fā)他的科研樂趣。“只有發(fā)明新的題目才會鼓勵您沒有停地往進修。”恰是正在處理新題目的過程中帶來的愉悅感和成就感，促使張進華正在科研路上沒有息往前邁進。
對將來，張進華擁有異常清楚的計劃。短期內(nèi)的方針是把研發(fā)出來的軟體病愈手全面推廣到病院的病愈科往運用，由實驗室走向產(chǎn)業(yè)化。
“我這一輩子，便是期望本身研發(fā)出來的產(chǎn)物，哪怕只有一個，只要它可以真正在日常生活中獲得使用，那便是我最有成就感的事情了。”
正在我國制造業(yè)程度絡(luò)續(xù)提拔的當(dāng)下，軟體機器人的研發(fā)將進入快速增長期，極有還許成為中國下一個經(jīng)濟增長點，張進華信任，軟體機器人的研討還將大有作為。