由1959年第一臺工業(yè)機(jī)器人降生以來，科學(xué)家就一向癡迷于機(jī)器人的設(shè)計(jì)取空想。不外，機(jī)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(jī)器人仍然是硬邦邦的“硬漢”。
關(guān)于機(jī)器人而言，“硬”照舊“軟”的挑選是近年來才發(fā)生的一個(gè)題目。人類正在不竭擴(kuò)大自身的想象力和創(chuàng)造力，開收回軟萌如“明白”的機(jī)器人，這類使用柔性質(zhì)料來制造的機(jī)器人，被稱為軟體機(jī)器人。
當(dāng)前，這一研討正在學(xué)術(shù)界方興未艾地進(jìn)行著，西安交通大學(xué)機(jī)器工程學(xué)院傳授張進(jìn)華正在盡力開辟一種高性能的軟體機(jī)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(jī)器人的生長還不克不及完整替換剛性機(jī)器人，內(nèi)柔外剛、軟硬兼?zhèn)溥€許是機(jī)器人生長的一個(gè)主要標(biāo)的目的。兩者缺一不可，我們還要繼承起勁。”
▲張進(jìn)華
最好的支配：挑選機(jī)器
張進(jìn)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(yáng)流動(dòng)，讓遠(yuǎn)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(jī)械工程學(xué)科更是正在全國首屈一指，因而張進(jìn)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(jìn)華坦言人生老是會(huì)有許多的不測，成就良好的他正在本科畢業(yè)時(shí)順?biāo)毂Ｑ小Ｗx研以后，張進(jìn)華對科研的愛好更加激烈，他憑仗碩士時(shí)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(shí)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(jìn)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(jìn)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(jì)，2016年環(huán)球新增中風(fēng)病人1370萬，僅中國就占了40%，個(gè)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(yùn)動(dòng)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(shí)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(jī)器人幫助病人鍛煉以從新獵取肢體的運(yùn)動(dòng)性能。
“病愈師正在病愈進(jìn)程中會(huì)和病人開展交換，來激起病人的主動(dòng)病愈認(rèn)識，然則現(xiàn)階段的機(jī)器人還做不到人機(jī)交互。”張進(jìn)華說，應(yīng)對這類情形，科研人員提出了一種叫“腦機(jī)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(gè)神經(jīng)旌旗燈號以后，經(jīng)由過程神經(jīng)元傳到肌肉動(dòng)員骨骼開展活動(dòng)，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(gè)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(dòng)企圖，再轉(zhuǎn)化為機(jī)器人的號令。
“那樣的解決辦法有兩個(gè)益處：一是讓病人有主動(dòng)的活動(dòng)志愿，到達(dá)主動(dòng)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(dòng)，根據(jù)辨認(rèn)病人主動(dòng)的肢體活動(dòng)企圖，然后掌握機(jī)器人幫助病人舉行活動(dòng)，到達(dá)主被動(dòng)融合的病愈結(jié)果。”
張進(jìn)華將腦機(jī)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(jī)器人。今朝正在市場上，幫助病愈的剛性機(jī)器人比較多，然則剛性機(jī)器人力氣比較大，碰上中風(fēng)病人痙攣的時(shí)辰，可能對病人導(dǎo)致?lián)p傷。而軟體機(jī)器人雖然力氣較小，然則仍然可以動(dòng)員病人的胳膊大概手往活動(dòng)，縱然病人呈現(xiàn)痙攣的情形，因?yàn)樗旧硎擒浶再Y料，還沒有會(huì)對病人導(dǎo)致?lián)p害。
張進(jìn)華和團(tuán)隊(duì)已樂成研制出基于正負(fù)氣壓驅(qū)動(dòng)的軟體病愈手。這一氣動(dòng)軟體病愈手唯一149克，接納開放式手套，根據(jù)短驅(qū)動(dòng)能夠輔佐手指實(shí)現(xiàn)舒展或愚昧活動(dòng)和拇指的內(nèi)收或外展活動(dòng)的主動(dòng)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(jìn)一步完善我們的軟體病愈手。”張進(jìn)華說。
將軟體技能運(yùn)用于腦機(jī)接口病愈技能，打破了病愈機(jī)器人全是剛性機(jī)器人的傳統(tǒng)思緒，軟體機(jī)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(shí)現(xiàn)高靈活性、強(qiáng)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(yùn)用價(jià)值。
“將來老齡化社會(huì)，中風(fēng)的人會(huì)越來越多，術(shù)后病愈市場還是有大的需求，可是病愈機(jī)構(gòu)數(shù)目少、范圍小，本錢還比較高。”張進(jìn)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(jìn)步病人的病愈效力。正在中風(fēng)病人渡過危險(xiǎn)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(jī)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(jī)器人，軟體機(jī)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(jī)器人。一次無意的學(xué)術(shù)交換，讓張進(jìn)華注重到了軟體仿生機(jī)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(shí)倏忽有了靈感。
張進(jìn)華發(fā)現(xiàn)了一種叫尺蠖的無脊椎動(dòng)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(shí)可以操縱靜態(tài)靜水力學(xué)轉(zhuǎn)變身體張力實(shí)現(xiàn)身體懸臂，經(jīng)過肌肉的收縮和腹足的合營實(shí)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(dòng)的活動(dòng)，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(dòng)的穩(wěn)定性和安全性，與此同時(shí)還具有撲食獵物的伎倆。是以，正在張進(jìn)華看來尺蠖是一種十分抱負(fù)的軟體機(jī)器人仿生工具。
“尺蠖的活動(dòng)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(dòng)物體內(nèi)的剛性骨骼組織，并哄騙肌肉的生物智能，實(shí)現(xiàn)了龐雜非構(gòu)造環(huán)境下的高自由度的空間活動(dòng)，大大促進(jìn)了其活動(dòng)的多樣性。”
是以，張進(jìn)華想鑒戒尺蠖的神經(jīng)節(jié)制機(jī)理，為軟體機(jī)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(jìn)華申請到了國度自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目——“基于尺蠖肌肉生物智能的軟體機(jī)器人自適應(yīng)低維節(jié)制研討”。
除此之外，張進(jìn)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(jì)培養(yǎng)項(xiàng)目——“軟體顛簸推動(dòng)機(jī)械人龐雜形態(tài)盤算取優(yōu)化設(shè)計(jì)研討”和國度自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目——“基于柔性被動(dòng)自由度感知加強(qiáng)的仿蝠鲼機(jī)械魚和諧操縱研討”。在這里兩個(gè)項(xiàng)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(dòng)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(dòng)過程中，經(jīng)由過程兩側(cè)胸鰭有節(jié)律的拍動(dòng)或顛簸變形推動(dòng)身體活動(dòng)，可完成巡游、轉(zhuǎn)彎、起、停和姿勢維持的游動(dòng)推動(dòng)舉措，擁有高游動(dòng)效力和高速轉(zhuǎn)向的才能。
正在張進(jìn)華看來，假如尺蠖能夠看做一個(gè)一維的梁單位，那末蝠鲼和魟魚則屬于一個(gè)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(dòng)或被動(dòng)變形取周圍環(huán)境相互作用，進(jìn)而完成本身的活動(dòng)需求，充分發(fā)揮它們的形態(tài)學(xué)測算（MorphologicalComputation）本領(lǐng)。
張進(jìn)華首先從仿生的角度相識到生物主動(dòng)變形和被動(dòng)變形的多少層面的“形”，再進(jìn)一步相識到生物的剛度分布取主動(dòng)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(jī)器人設(shè)計(jì)給予新的思緒。
▲張進(jìn)華取團(tuán)隊(duì)畢業(yè)生合影
探索不息：傳統(tǒng)軸承
正在開展軟體機(jī)器人仿生研討的與此同時(shí)，張進(jìn)華還對傳統(tǒng)滾動(dòng)軸承技能有深度的研討。新興的軟體機(jī)器人、人機(jī)交互研討和傳統(tǒng)的滾動(dòng)軸承技能研討只管看上去驢唇不對馬口，但正在張進(jìn)華眼中卻是有頭有尾。
由外形上看，軟體機(jī)械人和轉(zhuǎn)動(dòng)的軸承技能并沒有什么聯(lián)系關(guān)系。然則張進(jìn)華由內(nèi)部建模入手，發(fā)明轉(zhuǎn)動(dòng)軸承是一個(gè)典范的多體動(dòng)力學(xué)模子，多個(gè)組件一同活動(dòng)。而尺蠖也是哄騙許多肌肉開展分布式驅(qū)動(dòng)，是一個(gè)偏偏柔性的多體動(dòng)力學(xué)模子，正在機(jī)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(shí)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(jìn)口。”國度對要害軸承技能的火急需求，是張進(jìn)華及其團(tuán)隊(duì)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(jìn)華遭受了許多波折。他發(fā)覺，滾動(dòng)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?yàn)闈L動(dòng)軸承的活動(dòng)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(shí)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(huì)經(jīng)由過程履歷來選，這一些系數(shù)背后的機(jī)理卻難以厘清。
“這多是那時(shí)對我來講最大的波折了。”張進(jìn)華意想到書本上的理論雖然說得井井有條，可是對實(shí)際中若何指點(diǎn)軸承的設(shè)計(jì)還存在不小的差異。
“我們不知道的事情實(shí)在是太多了，這也是我對峙干軸承的一個(gè)緣由。”今朝張進(jìn)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(shí)分，激光的波長就會(huì)產(chǎn)生改動(dòng)，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(jìn)華還暗示，下一步想嘗試用超聲波的體式格局來檢驗(yàn)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(jìn)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(shí)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(jìn)華最愛往籃球場上揮灑汗水，“打籃球是上大學(xué)以后獨(dú)一一個(gè)保持下來的活動(dòng)，今后也要繼承保持下往”。張進(jìn)華以為活動(dòng)是非常重要的事情，正在球場上的時(shí)刻，他不消思量生活和科研的事情，只是地道地往活動(dòng)，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(jìn)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(dòng)資料是制約其進(jìn)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(jìn)華說他們經(jīng)過改動(dòng)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(jì)實(shí)驗(yàn)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(jìn)華自嘲本人有點(diǎn)“受虐”體質(zhì)，良多時(shí)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(huì)鼓勵(lì)您沒有停地往進(jìn)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(jìn)華正在科研路上沒有息往前邁進(jìn)。
對將來，張進(jìn)華擁有異常清楚的計(jì)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(yùn)用，由實(shí)驗(yàn)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(gè)，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(jī)器人的研發(fā)將進(jìn)入快速增長期，極有還許成為中國下一個(gè)經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，張進(jìn)華信任，軟體機(jī)器人的研討還將大有作為。