機器人的蛻變
——記中國科學院沈陽自動化研究所研究員何玉慶

干思思

讓我們假設這樣一種情景：在如同迷宮一般的巷子中，一個機器人正在其中穿梭。它的目標是尋找躲藏在這片區域中的犯罪嫌疑人，但是面前的一道隔墻擋住了它的去路。就在大家以為它無計可施的時候，另一個機器人卻突然騰空飛起，越過了隔墻，然后繼續落回地面搜索著嫌疑人可能會藏身的角落。

這并不是只有漫威電影里鋼鐵俠出場才會出現的情景，近年來，中國科學院沈陽自動化研究所研究員何玉慶致力于集空中與陸地功能于一體的跨域機器人研究。“相比單種類機器人，這種跨域協同的空地機器人能夠克服本體方面上的能力限制，完成更多場景下的任務。”何玉慶介紹道。而這也代表著何玉慶在機器人研發的道路上進入了一個新的階段，在這之前，他已經走了20多年，經歷了對陸地、水面、水下及空中等多個領域的機器人的研發歷程。

誤入藕花深處

22年前，何玉慶剛剛進入東北大學秦皇島分校自動化專業。有一天下午他在圖書館無意中翻看到關于中國機器人之父蔣新松的書，書中關于我國機器人發展的歷程以及蔣院士對機器人的研發理念讓他印象深刻。就是這樣一個普通而安靜的下午，悄悄奠定了何玉慶未來的研究道路。在那之后，何玉慶開始關注蔣院士生前所在的沈陽自動化研究所，關注機器人的研究方向。2002年，本科畢業的他如愿進入了沈陽自動化研究所攻讀碩士和博士學位，跟隨老師深入學習機器人方面的理論與技術知識。

2007年，尚處于博士階段的何玉慶跟隨自動化所團隊參與了南極科考機器人的裝備研制項目。“當時科考團隊十月份就要搭乘科考船出發，因此，我們必須在這之前將機器人裝備研制完成并調試好。”但機器人的研制是一個相當復雜煩瑣的過程，團隊不同分工的成員需要一起合作，將所有的部件組裝成一個整體，并且還要進行從軟件到硬件的調試，工作量非常巨大。在緊張的趕制過程中，何玉慶真正體會到了如何將理論技術轉變成真正的實用機器人，而這也是他第一次深入接觸機器人研制。

那時的何玉慶盡可能地利用所有資源加深自己對機器人領域的認識。當時中國科學院有一個開放實驗室，供從各個方向進行機器人研究的科研工作者開展實驗。“地面機器人、飛行機器人、水面機器人以及各種仿生機器人等都在里面。”何玉慶經常在實驗室里一待就是一天，在這期間他對不同種類機器人的特點都有了一定的了解。慢慢地，他咂摸出一些門道。“不同的機器人在能力上都有自己不同的局限。”據何玉慶說，他后來在跨域機器人領域所做的各種工作，經驗應始于那間開放實驗室。

2010年，何玉慶到中國科學院沈陽自動化研究所擔任副研究員。當時沈陽自動化研究所認為無論是機器人的裝備還是相關技術，都需要深厚的理論來支撐。而德雷斯頓作為世界頂尖的理工類大學，在機器人的理論研究方面造詣非常高。因此研究所便派何玉慶前往德雷斯頓大學進行關于先進的控制理論在機器人系統中的應用等理念的訪問交流。“這次經歷對后來回國后的科研工作有很大幫助。”

青島海試

將人從惡劣環境中解放出來

“將技術突破和機器人系統相結合，最終應用在國家發展的實際需求中。”這是沈陽自動化所的研究理念，也是何玉慶多年來堅持的方向。因此，研制實用性機器人，讓其代替人類進入艱苦或極端環境中開展工作，甚至將其應用于反恐等危險任務中，是他努力追求的目標。

2013年，何玉慶參與了面向城市公共安全事件響應機器人化系列的裝備研制的項目，在這個項目中，他負責水面機器人的研制，將其應用于水面災難的救援工作，包括水面的環境監控。“這是我第一次在項目中接觸水面機器人。”何玉慶說道。而項目的最終成果也得到了消防部門的高度認可。

除了水面外，何玉慶及團隊還參加了飛行機器人研制項目。2020年7月，他們和中國科學院青藏高原研究所合作，將機器人設備引入到科考工作中。巍峨廣闊的青藏高原一直以來以絕美的風景吸引著世人前往，然而供氧不足、溫度低、坎坷甚至遍布積雪的高山等難題也往往容易讓人在前往途中出現各種意外。惡劣的環境極大地增加了科考人員完成任務的難度。“我們的機器人最高能夠飛到6500米的高空，對惡劣環境也有一定的適應性。”因此機器人的加入能夠在一定程度上將科考人員從惡劣的環境中解放出來，同時采集到人力難以獲取到的數據，而這對于科研人員分析青藏高原的氣候變化乃至全亞洲的氣候變化具有重要作用。

除了單種類型的機器人，多年來，何玉慶也沒有放棄對跨域機器人的研究工作。2015年，他主持了國家級項目“復雜環境中空中-水面子母機器人系統自主行為方法研究”。“空中-地面多移動機器人跨域協作，可通過兩種機器人感知能力和行為能力的有機結合實現功能互補，大大提升其環境適應性和任務執行度。”何玉慶介紹道。但空中和地面機器人的感知數據和行為特性存在顯著差異性，這為協作算法的設計與實現帶來了極大挑戰。在該項目中，何玉慶將和團隊成員一起重點針對“跨域環境信息融合與協同定位”“基于跨域感知信息的實時環境建模、抽象與理解”“跨域環境約束下的單機器人實時行為優化”等基礎科學問題，初步構建面向空中-地面多機器人跨域協作的共性方法體系，并研制實驗系統，全面驗證理論方法與技術的可行性和有效性，為多機器人跨域協作研究提供理論和方法指導，并為后續跨域協作機器人系統產品樣機及裝備研制提供技術。

避免單打獨斗

機器人行業雖然在外行人眼里發展迅速，但是何玉慶很清楚在它的研制過程中，需要面對很多技術和合作方面的困難。毫無疑問，根據大數據訓練研制出來的傳統機器人已經越來越不能滿足社會的需求了，大家需要的是有更強自主能力的機器人。“在技術層面上，我們提出了自主感知、自主控制等一系列的自主性方法和技術，希望它能夠在一定程度上擺脫對人的依賴。”同時，他還和團隊針對自主技術中的控制技術進行了一系列研究。“特別是飛行機器人對外界的干擾比較敏感，我們一直在致力于通過控制技術的突破，讓它擁有較強的抗強風等抗干擾能力。”

在6000米高原考察

“除了技術，科研人員之間的協作也非常重要。”何玉慶介紹道。機器人特別是跨域機器人的研制需要計算機工程、電子工程、自動化工程等不同領域的科研人員互相協作，是一個特別復雜、工作量非常大的過程，團隊之間的技術協作起著十分重要的作用。因此，何玉慶特別說道：“我們所有的成果只靠我自己的力量是無法完成的，從理論到應用的實現，靠的是我們整個團隊的互相配合。”

正是因為知道其中的困難，何玉慶在和博士生進行專業交流的時候，除了會培養學生從實際應用中發現問題并解決相應問題的能力，還會著重培養他們溝通和協作的能力。“他們應該學會在研究過程中和別人進行交流合作，而不是一個人單打獨斗。”

如今，從大學進入圖書館的那個下午算起，何玉慶已經在機器人領域研究了20多個年頭。在這20多年里，他從研究單種類機器人發展到制備跨域協作機器人，這對他來說是之前道路的延續，也是新的征途的開始。他說：“隨著科技的發展，在不久的將來，電影里出現的場景或許也會出現在我們的日常生活中。”