石青：探秘仿生機器人的未來世界

倪海波

石青

機器人是什么？如果我們在網絡上搜索，會發現它是這樣被定義的：機器人是一種能夠半自主或全自主工作的智能機器，具有感知、決策、執行等基本特征，可以輔助甚至替代人類完成危險、繁重、復雜的工作，提高工作效率與質量，服務人類生活，擴大或延伸人的活動及能力范圍。

在北京理工大學智能機器人研究所副所長石青教授看來，傳統的機器人，主要將模擬信號轉換成數字信號，用來控制機械電子系統，運動性能與真實生物相比靈活性較差。要進一步提升仿生機器人的各項性能，可以考慮將數字控制信號改為生物模擬信號，即將生物和機器人系統有機融合在一起，用類似生物的控制信號來控制機器人本體，或者用生物驅動的方式直接驅動機器人本體，這就是未來的生機電融合仿生機器人，也正是他多年來開展的研究工作。

求學之路 挫折之后迎轉折

石青從事機器人研發，可以說是緣分使然，水到渠成。

時間追溯到2002年，北京理工大學機電工程學院的黃強教授繼日本之后成功研發了仿人機器人，實現了仿人機器人獨立行走和太極拳等表演，使中國的仿人機器人研究跨入世界先進行列。這一創舉被中央電視臺進行了報道。彼時，石青恰好是北京理工大學機電工程學院的大一新生，看到這則新聞，他心中的自豪感油然而生。從此，將來要研發機器人的夢想在石青的心中逐漸萌發。等到了大三，石青有機會被保研的時候，他就毅然選擇了黃強作為他的研究生導師。從此，在黃強的帶領下，石青在機器人研究領域走得越來越遠。

石青在北京理工大學是直博生，一般來說，他會在北理工完成研究生學業，然后順利拿到博士學位，然而事情卻意外地發生了變化。當時石青剛讀完博一，恰巧迎來了北京理工大學與日本千葉工業大學的交流學習機會，在這一契機之下，他被派出去在日本學習了一年半。這本來是一個極好的機會，可讓石青始料不及的是，這一年半讓他受盡了挫折，最終又迎來了轉折。

剛開始去日本的時候，石青面臨的一個最大的問題是語言不通，而且對日本的學習環境也不適應。2007年前后，要買電子芯片，在北京可以騎自行車去中關村買，然而在日本都需要從網上購買，由于語言問題，很難查找到一款合適的芯片。比如說電路板制作，在國內有很專業的軟件，容易上手操作。但在日本高校，使用的卻是學術版軟件，而且大部分都是日語系統。“我怎么都用不習慣，沒法自制電路板，因此相關的實驗驗證難以開展。”石青說，由于種種原因，他對日本的學習，包括他當時的研究方向——機器人系統仿真都很抵觸，這種情緒持續了將近一年多。

就在石青的交流學習即將結束的時候，黃強教授有一次去日本出差，見到石青后就問他對日本的情況了解得怎么樣。“當時我說，我覺得我了解得不是特別好。”石青回憶，當時黃強就給他建議：在這種情況下無法在日本得到應有的科研鍛煉，與沒出國沒什么兩樣，不如在日本讀個博士，換個地方好好鍛煉一下。后來，在黃強的推薦下，石青來到日本早稻田大學攻讀博士。博士畢業后，石青在日本又做了一年博士后研究，這才回到了母校北京理工大學。

2013年5月，石青又回到了他的導師黃強的實驗室。他覺得在國內可以充分發揮自己所學，施展抱負，同時導師黃強當時特別重視與日本的合作，他正好可以起到橋梁的作用。自此，他開始基于這一科研平臺，開展研究工作。

精中求精 結緣仿生機器鼠

在仿生機器人領域，石青的主要成就是研制出模仿實驗鼠的智能微小型仿生機器人，機器鼠體形小巧、機動靈活，是執行狹窄空間探測的理想機器人形態，能進入人無法到達的區域執行特殊任務，應用前景廣闊。

機器人行為仿生表達與自然交互動物行為機理復雜，運動求解困難，傳統的方法主要通過動力學行為規劃來求解所有關節作用力，導致運動模式單一、機械，難以實現自然交互。為此，石青借鑒實驗鼠所具備的自然、快速和靈巧特征，提出了行為仿生表達與自然交互方法，突破了微小型機器人多關節靈巧設計與系統集成關鍵技術，研制出微小型靈巧仿生機器鼠；解決了微小型仿生機器人行為模式單一、運動機械的難題，以及傳統動物模型不可控、實驗周期長等難題，實現了動物行為和心理的自動化評估及操控。

基于以上的創新成果，石青出版專著1部，受邀在國際學術會議ICCSIP、IEEE ICRA Workshop等多次作特邀報告；研究成果被機器人領域國際權威J.Wiles教授引用，評價為“研制了國際領先（state-of-the-art）的機器鼠”。瑞士技術科學院院士F.Mondada教授在其論文里正面引用了石青的工作，指出他研制的“仿生機器鼠已經成為實驗鼠行為研究的一個常用工具”。

基于微納操作的仿生微感知與驅動受尺度限制，仿生機器人的多元感知及微驅動系統不易集成，現有研究主要從功能上模仿生物，形態和功能不能同時滿足要求。為此，石青從生物和機器人融合的角度出發，提出了機器人化的微納目標三維精密操作方法，解決了仿生微感知與驅動多元構建與集成難題，為新型仿生機器人的構建提供了新的途徑。

聚焦微納 深耕生機電融合

為了研制全新的仿生機器人，同時在中國科學院外籍院士、IEEE2020總主席福田敏男教授的大力支持下，石青也專注開展基于微納生物操作的生機電融合研究。“就是在微納尺寸的級別下，用操作器操作生物細胞，然后再組裝形成人工組織。”石青解釋道，這方面的研究主要有兩部分，一部分是肌肉組織，一部分是神經信號。肌肉組織將來可以應用到仿生機器人身上，作為其中的一個驅動，即將生物驅動和機電融合。

“我們做神經接口，就是把機電和生物之間的接口串通起來，在電極上面培養神經組織。電極一端接著機電，另外一端神經組織接的就是生物了。”石青說，“我現在主要做的部分是基于微納操作形成這個組織，讓它跟機械電子結合在一起，做一些接口。”一旦神經接通之后，將來假肢將不再是假肢，會變成人本體的一部分，作為人本體的延伸。這將不再是一個機電系統，而是一個真正的生機融合的東西。

生物機電融合，有一個翻譯過來的名字叫“類生命系統”，這是仿生機器人將來研究的一個趨勢。石青打算今后在這一方面繼續深入探索。

師生傳承 同探未知新世界

在石青求學的過程中，對他影響最大的除了黃強，還有他在日本學習時的副導師——石井裕之教授。他認為，博士最主要的不是去學知識，而是要著重考慮方法論，即掌握如何解決問題的思路及方法。“剛開始我也不是很明白。后來我回國之后才慢慢明白其中的道理，尤其是在帶博士生的時候，讓我受益匪淺。”石青說。

對于本科階段的學生，石青認為最主要的還是系統化的學習過程。當前他所在的專業是機械電子工程，研究方向是機器人。根據多年的經驗，石青認為研究機器人，可以從本科就開始培養，大三便可以去設計具體的機械結構，完成結構設計之后再做電路驅動，然后再做整體的系統控制。這樣一套流程下來，學生特別有興趣，同時也非常有成就感。

事實證明，石青的這套培養方法是行之有效的。由他指導的學生成功獲得了2019年首屆全國大學生智能機電系統創新設計大賽一等獎、第二屆中國研究生機器人創新設計大賽一等獎、第十一屆首都挑戰杯一等獎等，而他本人也被評為師德先進個人。

除了單純地傳道、授業、解惑，石青還非常關心學生的生活和身心健康。為了緩解學生的壓力，石青想到了一個小妙招：他制定了一個表格，學生按表所示打卡，每周做兩次運動。“如果沒有運動，現在就出去跑兩圈，有時候就以這樣的方式‘命令’他們出去運動。”石青說。在他看來，在學生階段，老師的正確引領十分重要。

現在，石青已經逐漸組建起了自己的團隊。團隊里除他之外，還有一個年輕老師，一個博士后，近10個碩博研究生。在團隊協作之下，石青做起研究來更得心應手了。石青表示，以前做研究時受到的約束比較多，現在他想放開手腳，帶領團隊去研究一些以前不敢做的事情，去探索一些未知的領域。