张进华：探寻“以柔克刚”的软体机器人之谜

　　由1959年第一台工业机器人降生以来，科学家就一向痴迷于机器人的设计取空想。不外，机器人的呈现是为了帮忙或替换人类开展更好的事情，而今大多的机器人仍然是硬邦邦的“硬汉”。

　　关于机器人而言，“硬”照旧“软”的挑选是近年来才发生的一个题目。人类正在不竭扩大自身的想象力和创造力，开收回软萌如“明白”的机器人，这类使用柔性质料来制造的机器人，被称为软体机器人。

　　当前，这一研讨正在学术界方兴未艾地进行着，西安交通大学机器工程学院传授张进华正在尽力开辟一种高性能的软体机器人，期望能在医学、军事、探测、工业等行业获得更多的利用。

　　他说：“现阶段，软体机器人的生长还不克不及完整替换刚性机器人，内柔外刚、软硬兼备还许是机器人生长的一个主要标的目的。两者缺一不可，我们还要继承起劲。”

　　▲张进华

　　最好的支配：挑选机器

　　张进华高考的那一年，恰逢西安交通大学100周年校庆，遮天蔽日的校庆宣扬流动，让远正在山东的他知道了西北有一所历史悠久、秘闻深厚的百年名校。而西安交通大学的机械工程学科更是正在全国首屈一指，因而张进华几乎没有犹豫地挑选了它。

　　“我身世于乡村，本来是想本科毕业以后直接事情的。”张进华坦言人生老是会有许多的不测，成就良好的他正在本科毕业时顺遂保研。读研以后，张进华对科研的爱好更加激烈，他凭仗硕士时代的良好成就留校事情。

　　“留校以后，天天忙着科研和教授教养的与此同时深刻意想到攻读博士学位的重要性。”西安交通大学优良的学科气氛和身旁教员赐与的扶助让张进华挑选正在本校正在职读博。

　　“十几年的工夫转瞬即逝，西交大就和我的家一样，我对黉舍有依靠感，想继承留正在这儿事情。”博士结业后，已为科研事情做好常识贮备的张进华正式正在母校开端了新兴取传统赓续碰撞的科研门路。

　　将来的福音：病愈软体手

　　据不完全统计，2016年环球新增中风病人1370万，仅中国就占了40%，个中绝多数人在病发后失去了手部功效。传统的医治手腕关键依赖病愈医师帮助病人开展枢纽运动和肌力锻炼，但其锻炼结果受大夫履历和业务水平及锻炼时候等因素的危害。因此有良多研究者研发了相干的病愈机器人帮助病人锻炼以从新猎取肢体的运动性能。

　　“病愈师正在病愈进程中会和病人开展交换，来激起病人的主动病愈认识，然则现阶段的机器人还做不到人机交互。”张进华说，应对这类情形，科研人员提出了一种叫“脑机接口”的解决方案：人体一般的神经通路，是由大脑收回一个神经旌旗灯号以后，经由过程神经元传到肌肉动员骨骼开展活动，然则病人中风以后神经旌旗灯号没法传导到肌肉，所以由外部接一个通路，如戴脑电帽，把病人的脑电旌旗灯号提取出来，判定病人的活动企图，再转化为机器人的号令。

　　“那样的解决办法有两个益处：一是让病人有主动的活动志愿，到达主动病愈的结果；二是中风的病人更多的是肢体不可以活动，根据辨认病人主动的肢体活动企图，然后掌握机器人帮助病人举行活动，到达主被动融合的病愈结果。”

　　张进华将脑机接口病愈手艺的道理取软体手艺举行连系，以此开收回病愈软体机器人。今朝正在市场上，帮助病愈的刚性机器人比较多，然则刚性机器人力气比较大，碰上中风病人痉挛的时辰，可能对病人导致损伤。而软体机器人虽然力气较小，然则仍然可以动员病人的胳膊大概手往活动，纵然病人呈现痉挛的情形，因为它本身是软性资料，还没有会对病人导致损害。

　　张进华和团队已乐成研制出基于正负气压驱动的软体病愈手。这一气动软体病愈手唯一149克，接纳开放式手套，根据短驱动能够辅佐手指实现舒展或愚昧活动和拇指的内收或外展活动的主动练习。“我们和第四军医大学、北京清华长庚医院的病愈科都有交换，根据相识他们病愈科的需求，进一步完善我们的软体病愈手。”张进华说。

　　将软体技能运用于脑机接口病愈技能，打破了病愈机器人全是刚性机器人的传统思绪，软体机器人能够充分利用其本身的柔顺性、非线性、粘弹性和迟滞特征，低落操纵的复杂度，实现高灵活性、强适应性和较好交互性，将来正在医疗病愈范畴有主要运用价值。

　　“将来老龄化社会，中风的人会越来越多，术后病愈市场还是有大的需求，可是病愈机构数目少、范围小，本钱还比较高。”张进华说，软体病愈手主如果应对小我私家，体积较轻、本钱昂贵、掌握精度高、穿着舒服、宁静便携，可以顺应差别医治阶段的需求，完成根基的病愈举措，进步病人的病愈效力。正在中风病人渡过危险期后，病人可以借助软体病愈手正在家开展自我病愈，减轻病愈训练本钱。

　　用“暖和”的软体病愈手替换以往“冷漠”的刚性病愈机器人，既节俭了本钱，又能给病人带去更多的人性关切。

　　以柔制刚：软体仿生

　　除研讨病愈机器人，软体机器人研讨行业最前沿的研讨标的目的之一便是软体仿生机器人。一次无意的学术交换，让张进华注重到了软体仿生机器人这一新兴的研讨行业。他正在取香港中文大学王煜传授交换的过程中，聊到毛毛虫的仿生布局时倏忽有了灵感。

　　张进华发现了一种叫尺蠖的无脊椎动物，长得和毛毛虫相似。尺蠖的身体可以蜿蜒、扭曲、褶皱，与此同时可以操纵静态静水力学转变身体张力实现身体悬臂，经过肌肉的收缩和腹足的合营实现匍匐，可正在粗拙的树干、树叶、空中、草地上等庞大环境里完成灵动的活动，并且正在匍匐过程中，可以使其接触环境保持稳定没有晃悠，保障了其活动的稳定性和安全性，与此同时还具有扑食猎物的伎俩。是以，正在张进华看来尺蠖是一种十分抱负的软体机器人仿生工具。

　　“尺蠖的活动虽然很庞杂，然则尺蠖的神经却很是简朴，它采纳柔性静水骨骼替代了脊椎动物体内的刚性骨骼组织，并哄骗肌肉的生物智能，实现了庞杂非构造环境下的高自由度的空间活动，大大促进了其活动的多样性。”

　　是以，张进华想鉴戒尺蠖的神经节制机理，为软体机器人的节制供应新的门路。依据以上的研讨发明，张进华申请到了国度自然科学基金面上项目——“基于尺蠖肌肉生物智能的软体机器人自适应低维节制研讨”。

　　除此之外，张进华还主持了关于仿生鱼的国度自然科学基金庞大研讨设计培养项目——“软体颠簸推动机械人庞杂形态盘算取优化设计研讨”和国度自然科学基金面上项目——“基于柔性被动自由度感知加强的仿蝠鲼机械鱼和谐操纵研讨”。在这里两个项目中，他研讨的工具是海洋中的软骨鱼类，此中蝠鲼和魟鱼凭仗其奇特的身体构造和高效的活动才能，已成为水下自立式飞行器的首要仿生工具。

　　蝠鲼和魟鱼身体扁平，柔嫩的胸鳍分布于身体两侧。正在游动过程中，经由过程两侧胸鳍有节律的拍动或颠簸变形推动身体活动，可完成巡游、转弯、起、停和姿势维持的游动推动举措，拥有高游动效力和高速转向的才能。

　　正在张进华看来，假如尺蠖能够看做一个一维的梁单位，那末蝠鲼和魟鱼则属于一个二维的软体单位。由于蝠鲼和魟鱼全是具有无限自由度的连气儿体，它们经由过程自身的主动或被动变形取周围环境相互作用，进而完成本身的活动需求，充分发挥它们的形态学测算（MorphologicalComputation）本领。

　　张进华首先从仿生的角度相识到生物主动变形和被动变形的多少层面的“形”，再进一步相识到生物的刚度分布取主动变更的物理层面的“态”，终究经过多少和物理层面的“形-态”深度仿生为软体机器人设计给予新的思绪。

　　▲张进华取团队毕业生合影

　　探索不息：传统轴承

　　正在开展软体机器人仿生研讨的与此同时，张进华还对传统滚动轴承技能有深度的研讨。新兴的软体机器人、人机交互研讨和传统的滚动轴承技能研讨只管看上去驴唇不对马口，但正在张进华眼中却是有头有尾。

　　由外形上看，软体机械人和转动的轴承技能并没有什么联系关系。然则张进华由内部建模入手，发明转动轴承是一个典范的多体动力学模子，多个组件一同活动。而尺蠖也是哄骗许多肌肉开展分布式驱动，是一个偏偏柔性的多体动力学模子，正在机理上有相通的中央。

　　“这两年国度的高铁建立成长很快，高铁列车的核心技能已实现完整自主化出产，但要害零部件如高铁轴承照样须要依托进口。”国度对要害轴承技能的火急需求，是张进华及其团队一向致力于轴承技能理论阐明和研讨的主要原因。

　　正在轴承研讨上，张进华遭受了许多波折。他发觉，滚动轴承内部空间十分狭窄，现有的丈量手腕很难正在线测试其内部的状况。其次因为滚动轴承的活动比较复杂，它的各类摩擦力和接触状况还十分复杂，建模盘算时有许多系数需求举行挑选，但究竟应当如何选，现正在只会经由过程履历来选，这一些系数背后的机理却难以厘清。

　　“这多是那时对我来讲最大的波折了。”张进华意想到书本上的理论虽然说得井井有条，可是对实际中若何指点轴承的设计还存在不小的差异。

　　“我们不知道的事情实在是太多了，这也是我对峙干轴承的一个缘由。”今朝张进华的同事在干的事情是根据红外线或激光的体式格局，利用特别质料，放到轴承内部，当其温度产生转变的时分，激光的波长就会产生改动，这类非接触的丈量体式格局可认为他们揭露轴承内部温度的转变。

　　张进华还暗示，下一步想尝试用超声波的体式格局来检验轴承内部润滑油的转变，他们仍然在探索的路上。

　　最大的挑衅：对峙最难

　　作为一位科研事情者，张进华的生活老是和科研分不开。虽然事情繁忙，可是大学相对弹性的事情时间让他能更有针对性地处置家庭和事情上的事情。

　　劳碌的事情之余，张进华最爱往篮球场上挥洒汗水，“打篮球是上大学以后独一一个保持下来的活动，今后也要继承保持下往”。张进华以为活动是非常重要的事情，正在球场上的时刻，他不消思量生活和科研的事情，只是地道地往活动，正在出过一身汗后，释放掉一些过剩的压力。

　　十余年的科研阅历让张进华了解，前行的路上总能碰到没法预知的困难，最困难的是不是碰到解决不了的困难，反而是碰到困难以后能不能对峙下去，对峙以后能不能找到解决办法，这才是最大的挑衅。

　　“好比我们现在做软体，智能资料、驱动资料是制约其进展的最大题目。”软体仿生用到的硅胶资料和生物本来的材质相差很大，若何办理呢？张进华说他们经过改动硅胶资料的布局，模仿生物肌肉的特征，尽量地保证类似，再设计实验开展测试，经过相干的研究结果再开展不竭的改良。

　　张进华自嘲本人有点“受虐”体质，良多时分他没有盼望研讨一步到位，反而是盼望可以正在研讨过程中碰到新题目，如许更能引发他的科研乐趣。“只有发明新的题目才会鼓励您没有停地往进修。”恰是正在处理新题目的过程中带来的愉悦感和成就感，促使张进华正在科研路上没有息往前迈进。

　　对将来，张进华拥有异常清楚的计划。短期内的方针是把研发出来的软体病愈手全面推广到病院的病愈科往运用，由实验室走向产业化。

　　“我这一辈子，便是期望本身研发出来的产物，哪怕只有一个，只要它可以真正在日常生活中获得使用，那便是我最有成就感的事情了。”

　　正在我国制造业程度络续提拔的当下，软体机器人的研发将进入快速增长期，极有还许成为中国下一个经济增长点，张进华信任，软体机器人的研讨还将大有作为。