數字化技術將科幻未來變為現實

文｜本刊編輯部

今年的北京冬奧會上，智能機器人成為了最受矚目的“工作人員”，承擔起物流輸送、交通引導、餐食制作等多種工作職能，為來自全球各地的參賽人員提供便利的生活服務，同時降低了比賽期間人員接觸的頻率。實際上，智能機器人的用途遠不止這些，在2021年神舟十二號飛船進入空間站后，智能機器人又化身成為大負載、大范圍轉移功能的機械臂，幫助航天員完成兩次出艙任務。被譽為“制造業皇冠頂端的明珠”，智能機器人的制造和應用正成為衡量一個國家科技創新和高端制造水平的重要標志。

我們正步入一個與智能科技和諧共處的新世界，人類與科技的關系也從利用、合作走向融合。在這其中，我們的年輕一代也正逐漸成長為智能技術研發的核心力量，他們研發出的具有開創性的科研成果，正在促進著人類智慧與人工智能的交互融合，幫助我們重新想象、設計和創造一個更美好的世界。

從科幻到現實，設計優化讓機器人應用場景不斷拓展

作為模擬人類或其他生物行為的機械（如機器狗、機器貓等）的存在，發展至今的機器人已經成為人類代勞的絕佳幫手，機器人研發、迭代也成為全球科研最熱門的論題之一。

智能機器人研發設計的第一步是原始模型的建立，也是最重要的一環，決定了機器人最終的實際功能。例如，在建立仿人機器人下肢原始模型時，首先需要參考人體下肢骨骼系統的結構和行走步態；其次根據機器人的重量和平地行走步態，通過步態仿真獲得各零部件的主要受力情況。不斷的參考、仿真、模擬是機器人迭代優化過程中的必經之路。

浙江大學仿人機器人團隊在設計、模擬、驗證的全過程中，利用數字化技術設計和創造的智能機器人便是絕佳案例之一。團隊使用拓撲優化方法（加載單種工況）和Autodesk產品支持的衍生式設計（可以加載多種工況）進行結構優化設計，為了達成最貼合產品的極致設計方案，設計團隊使用Autodesk產品對衍生式設計模型進行晶格結構優化，并根據晶格結構的表皮、支柱截面、節點尺寸對模型強度的影響，從這三個方面對模型細節進行修改，在達到輕量化的同時，使模型達到強度和剛度要求，加強仿人機器人的運動能力和靈活性。之后對模型進行3D打印仿真，驗證模型的可制造性，設計小型疲勞試驗機來評估機器人下肢的疲勞壽命。最終，團隊制造的機器人下肢單腿質量僅為6.46kg，重量減少了54.6%，且工作電流更小，對于雙足機器人的運動性能提高與減少能量消耗有著顯著效果。

仿人機器人下肢衍生式設計結構效果圖與晶格結構優化效果圖

在研發和制造機器人的過程中，云臺的重要性不可小覷，而設計迭代、減重和強度要求是機械設計中主要面臨的3項挑戰。使用傳統制造方式會導致機器人云臺部件多、重量大、速度慢、強度不足。華南理工大學團隊另辟蹊徑，使用增材制造技術，這使得機器人復雜結構的設計擁有了無與倫比的硬件自由度。而后通過Autodesk產品支持的衍生式設計技術，根據不同工況和極限條件，探索不同材料、加工方式的產品形態和性能，軟件快速的設計、反饋讓團隊減少了80%的迭代設計研發成本。最終，團隊創造出一個輕盈、快捷的機器人云臺，盡管將多達27個零部件組合為一體，但最終重量僅為170克，重量減輕了42%。團隊利用華曙FS271M金屬激光燒結技術制造的AlSi10Mg鋁合金機器人云臺以其優異的機械強度、耐用性和表現，在面向世界大學生開展的全球首個射擊對抗類的機器人比賽——機甲大師賽中脫穎而出，獲得2019年區域錦標賽的第一名。

華南理工全國機甲大師賽獲獎機器人

智能工具正在發揮科技普惠的重要價值

早在1960年，美國動態模擬研究室科學家就提出賽博格（Cyborg）的概念，人類與高科技機械工具之間的結合成為科幻小說常見的未來想象。隨著人工智能發展，在2016年舉辦的巴西殘奧會上，德國運動員丹妮斯·辛德勒更是成為首個使用3D打印假肢參加自行車比賽的奧運選手。

聚焦國內，鄭州輕工業大學在脊柱側彎患者外骨骼的生成設計與仿真項目中，進行了獨特的矯正支架設計。Autodesk工業級的三維建模軟件使團隊的模型設計具有極高的自由度，最終使矯正支架從整片狀簡化為鏤空根狀，外觀大大簡化，整體的機械外骨骼也變得更加輕便，且不受人體身高的限制，實現了輔助工具與人類身體的更好結合，幫助患者更好進行康復。

機械手臂似乎已成為科幻小說和超級英雄電影中常見的裝置。事實上，現實中的仿生義肢也可以為眾多殘疾人口帶來福音。根據抽樣數據統計，中國大約有2400萬肢體殘疾人口，但成本高、耗時長、手術并發癥高成為了關鍵難題。歐特克展翼計劃提出了解決方案，用3D打印技術為手部殘障兒童提供經濟、簡易功能型義肢輔具。根據提交的肢殘照片和數據，設計師將在3D建模軟件上設計、修改模型，并利用3D打印技術制作義肢，通過建模設計實現義肢的高度定制化，且制作簡單，外形美觀，并且通過手腕或肘部的彎曲傳動，實現其最基本的抓握能力，同時鍛煉其手部肌肉，為日后做手部矯形手術、使用高級仿生義肢提供幫助。該計劃已成為創業者、3D打印平臺、3D打印從業者、機械工程專業大學和學生、肢體整形外科醫生、肢體殘疾患兒家長的交流互助平臺，并聯合高校校園志愿者舉辦工作坊，在社交平臺科普3D打印知識，力圖將開源技術引入中國，完成機械及電動義肢的升級。目前展翼計劃每年寄出百余只機械手，面向手部殘疾兒童，提供安全、低成本、制作簡易、適配性高、具有實用性的義肢解決方案。

數字化技術將傳統產業與先進科技銜接起來，逐步走向可視化模擬、數據化預測、智能化分析以及自動化操控，這是新一輪科技革命和社會變革的焦點，也預示著人類歷史上又一次新的革命已然到來。在這個新世界里，人和機器不可分割，相輔相成，由此所帶來的產業和社會面貌的改變正在發生。在這樣的變革浪潮中，年輕人將引領的技術創新，把科幻未來創造為現實。

歐特克展翼計劃