如何能讓機器像變形金剛一樣自如地在各種形態(tài)之間來回切換?英國皇家工程院院士、天津大學教授戴建生從人類進化和細胞分裂重組過程中獲得靈感，領銜完成的“機構(gòu)演變與變胞機理發(fā)現(xiàn)及其幾何形態(tài)變構(gòu)理論與分岔調(diào)控機制”項目(以下簡稱變胞理論)，讓機器機構(gòu)變構(gòu)有了理論體系支撐，也讓機器變形變構(gòu)設計減少了實踐試錯，變得更加容易。近日，該項目在天津市科學技術(shù)獎中獲得自然科學一等獎。

靈感源自細胞分裂重組過程

就像人們同時做很多項工作會感到“手忙腳亂”一樣，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機器往往也只能完成單一的工作，面對復雜甚至需要改變自己結(jié)構(gòu)形態(tài)才能完成的工作時往往就會無能為力了。

比如輪式機器人在野外作業(yè)時，面對平緩的路面可以快速滾過去，但如果遇到臺階，輪式機器人就“力不從心”了。如果此時車輪變形成輪腿式構(gòu)型，機器人則可以輕松跨越障礙物。

2000年前，戴建生在設計與開發(fā)機器人自動包裝生產(chǎn)線時就遇到了同樣的難題。他發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)機械多指手手掌都是一整塊鋼板固定的結(jié)構(gòu)，至多分為兩塊或三塊。如果能模仿人手手掌結(jié)構(gòu)，靈活運動，機械多指手就能進行更多的操作了。于是經(jīng)過設計改造，戴建生制作了可以自由活動的仿人靈巧手。遇到孔洞的時候，靈巧手可以模仿人手攥拳，伸到孔洞里，而后再伸展開進行各種操作。

在不同場景中，機械構(gòu)型改變是必須的也是千變?nèi)f化的。而每次這些具有不同自由度的新構(gòu)型都要重新進行設計，這就涉及到結(jié)構(gòu)、軸、關(guān)節(jié)等諸多方面的技術(shù)參數(shù)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。特別是復雜構(gòu)形的改變，涉及到的東西更多。因此每一次實踐，就會經(jīng)歷大量試錯，浪費人力物力，導致效率低下。

“是否可以有一套理論，來支撐機器與機械根據(jù)實際需求‘變身重構(gòu)’，‘動態(tài)演變’，靈活地適應變化的工作環(huán)境與功能需求?”團隊成員、天津大學現(xiàn)代機構(gòu)學與機器人學中心執(zhí)行主任康榮杰教授解釋戴建生的理論，就像蝴蝶從毛毛蟲破繭成蝶這一過程背后蘊藏著精妙的生物演化機理一樣，機器構(gòu)型的設計綜合與演變分析也需要一套創(chuàng)新的理論體系來指導。戴建生于1998年提出該理論，并于1999年與中國工程院院士張啟先共同命名該理論為變胞機構(gòu)。戴建生在之后二十多年的深耕中，逐步建立起一套完整的變胞理論。

讓機器變構(gòu)設計變得更容易

把靈感付諸實踐需要嚴謹?shù)目蒲校鎸鹘y(tǒng)機器拓撲與活動度一成不變，難以滿足多工況多需求的難題，項目團隊在戴建生的帶領下，經(jīng)過20年深耕，在國家自然科學基金委項目的支持下，在國內(nèi)數(shù)個院校眾多學者共同協(xié)助下，團隊建立了機器機構(gòu)演化理論體系，開展了機器機構(gòu)演變機理研究，完成了大量原創(chuàng)且國際領先的工作，創(chuàng)立了變胞機構(gòu)和可重構(gòu)機構(gòu)新研究領域。

變胞理論開創(chuàng)了可重構(gòu)機構(gòu)與可重構(gòu)機器人大領域，變胞機構(gòu)子領域，首次提出了不同于傳統(tǒng)設計且具有變活動度、變構(gòu)態(tài)、變拓撲的變胞機構(gòu)/可重構(gòu)機構(gòu)理念。

團隊還創(chuàng)立了融合旋量理論、李群理論、微分流形三大理論的變胞理論體系，揭示了變胞機構(gòu)/可重構(gòu)機構(gòu)的演變機理。“就是把數(shù)學工具融會貫通，找到本質(zhì)相通的地方，構(gòu)建一套起源本質(zhì)的變胞機構(gòu)/可重構(gòu)機構(gòu)創(chuàng)新與綜合設計體系。”戴建生解釋說。

此外，團隊還攻克了變胞機構(gòu)與可重構(gòu)機器人驅(qū)動選擇、變構(gòu)調(diào)控等關(guān)鍵科學問題，建立了變胞機構(gòu)/可重構(gòu)機構(gòu)的構(gòu)態(tài)調(diào)控機制與控制策略。

“也就是說，有了變胞理論，在設計變形機器的時候，只需要按照需求約束好各種條件，輸入?yún)?shù)，按照變胞理論提供的‘公式’，就可以設計出軸、關(guān)節(jié)等如何布置了。”康榮杰說。

應用變胞理論，團隊開發(fā)了絕緣子劣化診斷與維護、輸電線路巡檢、斷股補修等多款變胞電力機器人以及可變各種形態(tài)各種爬行姿勢的變胞足式機器人。

團隊成員，機器人學國家重點實驗室、沈陽自動化所研究員王洪光介紹說，南方很多輸電線路架設在崇山峻嶺中，電路巡檢主要靠人工，勞動強度大，危險性高。傳統(tǒng)的巡檢機器人在翻越線路桿塔的時候難以完成。利用變胞機構(gòu)“一機多能、一機多用”的特點，提升了線路巡檢機器人的行走與越障能力以及環(huán)境適應性，進而提升了“輸—變—配”電力設備的智能化運維水平。

此外，團隊研發(fā)的變胞多指靈巧手應用于中國航天員科研訓練中心特種防護服測試裝備，服務于國家載人航天工程。他們研發(fā)的變胞靈巧手與變胞足式機器人項目被孵化成天津大然機器人和深圳大寰機器人兩個學生創(chuàng)辦的高科技創(chuàng)業(yè)公司。同時，該理論指導了數(shù)個國家自然科學基金委項目研究與國家重點研發(fā)計劃項目研究，服務于國家重大需求。