科创会客厅 南科大机器人研究院院长戴建生：小小包装纸盒激发灵感 研发出机器人界的“变形金刚”

  科幻电影里，变形金刚一会儿变成汽车风驰电掣，一会儿变成人形健步如飞……近日在南方科技大学，记者也看到了这样一款可自由“变身”的，只见它可以蜷缩成一团，钻进狭窄的空间；也可以舒展出四只“脚”，灵活地攀爬台阶……在不需要拆卸和重新组装的情况下，它可以在爬行动物、节肢动物和哺乳动物之间来回切换。这一世界首款具有多种模仿形式的变胞足式研究院研发的，而牵头者，就是南科大机器人研究院院长、英国皇家工程院院士、欧洲科学院院士戴建生。

  “倚径登山查豸变，铺书横撰变胞观。物群进化有其道，机器多功克万难。”这几句诗节选自戴建生创作的一首七律《孟春奋进》，其中的“变胞”，指的就是他研究了二十余年的变胞机器人。

  1996年，完成博士后深造的戴建生进入了世界著名美妆/日化企业联合利华工作，所负责的项目是开发机器灵巧手，辅助产品包装的设计与生产。“大家都知道，香水的包装是很考究的，要想研发出能轻松实现这么复杂任务的机器灵巧手很不容易。所以当时，我的办公桌上堆满了各种漂亮的包装纸盒，我每天就把这些包装纸盒拆来折去找灵感。”戴建生回忆说，灵巧手的研发需要先研究对象。而包装纸盒就是这一个对象，就需要给它的折叠轨迹建模。他看着这些变化万千的折纸，突发奇想——这折纸的折痕与连接纸板不就是铰链、连杆吗？这种映射方法可不能应用到机器人结构学中呢？

  经过一番深入研究，他从生物学原理提出Metamorphic Mechanisms，相关论文在1998年发表，奠定了他在这一理论领域里的开创性地位。此后，他与中国工程院院士张启先共同确认中文翻译为变胞机构，至今已在变胞机构与可重构领域深耕了二十余年。

  戴建生与团队的多年研究在国际上开辟了可重构机构与可重构机器人的新领域，此次在业界引起一片惊叹的变胞足式机器人就是基于这一理论的研发成果。“几十年来。机器人的本体几乎没变，都是用手臂来完成指令。但是变胞机器人不同，它可以用本体来完成各种变化，适应任何场景。我相信，它在应用领域会有广阔的发展空间。”戴建生说。

  戴建生对机构学与机器人学的贡献使得他获得了2015年的 “ASME DED 机构学与机器人学最高奖”；2020年，他获得了更高荣誉、国际机械设计领域最高奖——ASME机械设计最高奖，为首位华人获奖者，颁奖词高度评价他“为建立可重构机构领域和变胞机构子领域做出了开拓性与奠基性贡献”。他的工作在2023年得到再次肯定，国际机器理论与机构学联合会（IFToMM）授予他 “IFToMM 卓越成就奖”，评价他 “在机器理论和机构学（”变胞机构“）上取得了异常重要的成就，为国际机器理论与机构学下一代科学家们建立了新的研究方向”

  戴建生的灵感来源于折纸，他的折纸机构的研究是全球最早的。而直到现在，他所培养的博士生还在研究折纸。折纸千变万化的玄妙，为机器人的变形提供了依托。而正如闲暇时喜欢吟哦诗词，戴建生说，艺术和科技不可分割，这两种思维的融合，研究思路才得以开阔。“机器人就是一门综合的学科。”戴建生在身后的白板上写下这样的关键词——“艺术启迪、生物贯通、数学主导、实践融合”。始于艺术激发的灵感，以科学的逻辑不断推演，直至适应环境和实践的需求，这就是戴建生心中的机器人学科。

  此次获得国际大奖的变胞足式机器人能根据环境特征，变换构态，以更好地适应不一样典型地形。可应用于巡检，野外侦察，外星探测。利用变胞足式机器人躯干的可重构性，设计了自恢复，自折叠，过窄道，快速转弯和越障步态等等多种运动模式，提高了机器人运动的灵活性，丰富了运动方案的可选择性，为科教领域和工业届的工作者提供了新的灵感。“我们很快即将推出新一代变胞足式机器人，它的体积更大、结构更复杂，可以负载更多重物；另一方面，我们也在积极研发微型的软体机器人，可以在医疗领域有更多的应用落地。”戴建生说，随着人工智能的快速的提升，变胞机器人在应用领域大有可为。

  目前，“人形机器人+”正被视为未来数字化、智能化背景下，应用的终极赛道。对此，戴建生有自己的理解。他说：“所谓人形机器人，并不一定是具备人的外形，它更应该具备人的智能、有类人思维、有类人的操作模式。是算法智能和逻辑智能，它怎么和物理世界结合？需要结构智能来支撑。结构智能、算法智能二者合二为一，就因聚而生，变成了具身智能。这才是未来的发展趋势。我们要做的，就是让结构智能跟上算法智能的发展脚步，让‘想到’变成‘做到’。”

  为此，南科大机器人研究院不断在努力。在2023国家自然科学基金评选结果中，由戴建生院士团队牵头的关注“机械设计、制造及服役中的科学问题（E05）”的重点项目获批立项。该项目聚焦变胞机构高适应性设计与稳态变构国际难题，融入生物进化论原理，深入研究高适应变胞机构中力流演变规律与进化形态学对机构构形演变的影响，开发两种高适应性具有变胞特性的智能结构进化机器人以适应航空狭窄腔体作业与航天空间抓捕任务。“这也是团队下一步的任务和使命。”戴建生说。

  近日，深圳印发《关于加快发展新质生产力进一步推进战略性新兴起的产业集群和未来产业高水平发展的实施方案》，其中明确提到推动智能机器人等未来产业5至10年内产业规模倍数级增长。面对时代赋予的机遇，戴建生表示，在粤港澳大湾区，机器人的相关科研和产业都大有可为。

  “粤港澳大湾区具有国际辐射力，对于国际人才具有吸引力。以我们南科大机器人研究院为例，研究院涵盖了5个学院、11个系，这么多不相同的领域的顶尖人才聚在一起，为了同一个目标燃烧激情、共同奋斗，参与大湾区的建设，这是一种巨大的推动力。来自世界各地的人才也带来了世界各地的资源，比如我们和香港、英国、澳大利亚等国家和地区的高校、研究机构都有合作，在大湾区这样的平台上就能产生聚合效益。”戴建生表示，研究院现有核心研究成员40人， 拥有麻省理工学院、斯坦福大学、英国伦敦国王学院、蒙纳士大学、南洋理工大学、香港大学、清华大学、中国科学院、复旦大学、上海交通大学等国内外名校学习和工作经历。有了这些“最强大脑”，机器人研究院有信心为国家战略及区域经济发展提供最强支撑。

  他还特别提到了粤港澳大湾区突出的制造业优势。“大湾区的机器人产业十分发达，我们和很多企业，包括很多头部企业都有合作。使得我们最新的研究成果可以更快落地，这对我们的研究十分重要。可以说，我们机器人研究院融入大湾区的建设，大湾区又助力研究院的成长，这样互相促进，一同成长，对我们国家攀登世界科学高峰也起了很大的推动作用。”