'褚明：努力成就機器人領域的“頂天立地”'

褚明在學位授予儀式上作為教師代表發言

2019年年初，作為《變形金剛》系列首部獨立電影的《大黃蜂》在各大影院火熱上映，並取得了票房口碑雙豐收。其開場戲賽博坦之戰一下子就抓住了眾人的眼球：擎天柱、千斤頂、聲波（機器狗）等經典人物悉數登場，並上演了一系列精彩的動作戲和變形場面，讓觀眾驚喜不已。這些有著精鋼鐵骨的龐然大物，具有智慧、善於變形、行動靈敏，尤其是還長著一雙類似於人手的機械手。可以說變形金剛正是30多年前，人們對於機器人的一種想象。

如今，隨著科技的快速發展，曾經的想象逐步轉換為現實。機器人已悄然走入人們的生活和工作，並從方方面面影響著人類社會的發展。無論是從事繁重勞動的工業機器人，還是專攻精細操作的醫療機器人，亦或是探索星際太空的航天機器人，它們都產生於人類的精妙設計之下，具備某些人類自身無法比擬的能力，從而可以代替人類從事某些工作，日趨成為一種新興生產力。“在中德工業4.0浪潮的推動下，機器人技術現在已經成為國家重點發展的科研方向，未來20年應該都是機器人和人工智能的天下，這已是業界共識了。”多年從事機器人技術研究的北京郵電大學（以下簡稱“北郵”）自動化學院副教授褚明這樣介紹道。

雖然是一名“80後”，但褚明在機器人技術研究領域內卻有著豐富的經驗。在科研領域，大家基本上有一個普遍的認識，做科研一定要做到頂天立地。”“頂天立地”這個原本用來形容做人原則的詞，為何會用在科研中呢？他接著解釋道：“‘頂天’主要是說做學術研究，尤其是前沿基礎理論的研究一定要頂到天，也就是達到最高水平。而‘立地’主要是講應用，是說科研成果和技術一定要轉化成生產力，並且有一定的產品。簡而言之，就是前沿理論基礎研究一定要做到創新，落地的技術一定要成熟並能推廣，這是我們科研人追求的目標。”與此同時，作為北郵的研究生導師，他在教書育人方面也有著自己獨到的見解，“在一種很快樂的環境中去做科研”是他追求的目標，這也使他深受學生們的喜愛。

空間機器人 精益求精

“我關注的機器人領域，更是得‘頂天’，它恰好是航天領域的機器人技術。”在介紹他的研究領域時，褚明幽默地回答道。據介紹，空間機器人可以分為兩類：一類是裝在衛星上，通常被稱為星載空間機器人；另一類則是用於空間站的建造與運營，我國的空間站預計將在2020年建成。毋庸置疑，現代社會的發展對衛星的依賴日益增強，尤其是在國防方面。“善攻者動於九天之上”。自從第一顆人造衛星於1957年10月成功發射，便開創了人類太空時代的新篇章。可以說，當前的太空正在成為新的兵家必爭之地，這就決定了空間機器人在國防領域中具有極其重要的戰略地位。

在北京郵電大學科技園

近年來，美、俄、日等國都在空間機器人研究方面持續發力。2011年，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）啟動了“鳳凰計劃”太空技術驗證項目，目標就是利用軌道航天器抓捕地球靜止軌道上的退役衛星，回收利用其可用部件，並在軌組裝生成具有完備功能的新衛星。顯而易見，這一技術將對美軍未來的太空作戰行動產生全面而深遠的影響。它不僅能夠使美軍在未來的太空站中，對遭敵方打擊而摧毀的衛星進行快速搶修和替換，同時也能顯著抵消他國衛星武器的威懾效力。

在此背景下，中國也開始了星載空間機器人的研製。眾所周知，太空是一個高溫且溫差極大的環境，太陽照射的正面為180℃，而其背面則是—180℃。此外，因無重力，衛星一旦受到外部干擾力很容易翻滾失控甚至離軌。這都決定了星載空間機器人要具備極高的操作精度。然而，如何判斷其精度是否達標就成了一道難題。因為，星載空間機器人並不是標準設備，針對它的測量系統尚屬空白，只能由中國人自己開發。來自北郵的褚明和他的團隊靠著紮實而出色的科研能力肩負起了這個重擔，即國家原“863”計劃某課題研究。

這個測試設備的研發，可謂歷盡千辛萬苦。在與某合作單位合作時正值寒冬，室外只有—19℃，而褚明他們經常到晚上12點還在加班。連合作單位的老師都說：“我第一次見到有人出差的時候，下班比我們還晚，你們真不簡單！”抱著必須研製成功的信念，在無數次的調試中，用褚明的話說就是“記不清到底調了多少遍，也記不清反覆了多少工”，他們最終研製出了精密測試設備。之後,褚明懷著忐忑不安的心情來到國防一級認證的高精密測量所304所進行檢測。功夫不負有心人，測試設備檢測指標全部合格通過，意味著褚明他們圓滿完成了星載空間機器人的指標測試任務。此後經該測試設備檢測合格的星載空間機器人正式“服役”，如期完成了發射任務。如今，它仍在軌穩定運行並出色完成既定任務，大大提升了空間機器人的太空防禦能力，為我國的深空探測工程順利開展提供了技術支撐。

科學探索永無止境。致力於研究機器人動力學與精密控制的褚明，一直也在思考如何拓展星載空間機器人的操作能力。在人體上肢結構特點和中國太極以柔克剛思想的共同啟發下，褚明率先提出了具有多維可控阻尼力的軟對接及捕獲機構，這一極富創新的設想在國際學術會議上也引起了德國科學家的關注。目前該研發項目已於2018年7月成功入選國家自然科學基金面上項目，預計其成果將極大拓展空間機器人對非合作目標的柔順抓捕能力和系統自穩定能力，併為我國未來的深空探測工程積累前沿技術。

AGV消防機器人 智勇雙全

如今，機器人的身影在社會生活中愈發常見，靈活小巧的掃地機器人、新興代步工具兩輪機器人等，已成為不少人的好幫手。其實除了提供日常的服務，機器人還可以在危險的環境中挺身而出，“救人於危難之中”，譬如消防移動機器人。褚明及其團隊在2018年下半年就剛剛為一個世界500強企業研發出一款面向消防應用的全地形智能履帶式AGV。

AGV是Automated Guided Vehicle的縮寫，意即“自動導引運輸車”，是指裝備有電磁或光學等自動導引裝置，能夠沿規定的導引路徑行駛，具有安全保護以及各種移載功能的運輸車。AGV最早應用於倉儲業，如今京東、亞馬遜等物流大商們都在使用。基於其所具有良好的環境適應能力,很強的抗干擾能力和目標識別能力，AGV的應用範圍也在不斷擴展。此次，褚明他們設計了全新的增強型獨立懸掛系統，並突破了特種移動機器人的“三防”關鍵技術——防火、防水、防爆，賦予其像輕型坦克一樣的外形——利用履帶驅動，以便實現其爬樓的可能，從而使它能夠完成滅火搜救的重任。

眾所周知，一般出現火情時，常常會產生大量的有害氣體，特別是當火場內還堆放有易燃易爆品時，消防員的生命安全更加得不到保障。如果能夠利用消防機器人去完成這個高危工作，則會大大減少人員傷亡和財產損失。同時，在傳統救火中，消防員們通常要攜帶高壓水龍頭，一般需要三名消防員來搬運一臺，這就限制了他們的移動能力、速度以及效率。而通過科學合理的設計，一個消防機器人就可以攜帶一臺噸位適用於不同火情的水龍頭。換句話說，即一名消防員可以同時指揮好幾個消防機器人去滅火，從而極大地拓展了消防員的工作能力。此外，在火災現場，瀰漫的濃煙干擾了消防員們視線，給搜救工作帶來極大的困擾。為了解決這一難題，褚明他們在機器人身上安裝了熱感攝像頭。它有助於穿越濃煙穿越火焰尋找到被困人員，大大提高了現場的救生能力。

“很多消防員在救火過程中自己都出不來了，這讓人很痛心。咱們要充分利用科學技術，盡最大可能減少生命財產損失。”正是懷著讓科技造福於人的目標，褚明及其團隊經過100天的快速攻關，終於研製出了這款消防機器人，目前該產品已進入樣車試驗階段。

勇於跨界 快樂科研

傳統觀念中，從事理工科研究的人往往有些嚴肅沉悶。褚明卻給人留下開朗風趣的印象，而且他還是一位喜歡彈吉他、唱歌、習字的文藝青年。恰如他所說：“不止在科研上跨界，在生活上也要跨界！”

科研上的跨界，換句話說就是學科交叉。只有實現學科交叉，才能有更多創新。作為碩士生導師，在培養人才方面，褚明有自己的一套理念，即勇於“跨界”。在最初挑選研究生進實驗室的時候，一般他都會先問一下學生原來是學什麼的。學生一聽就很興奮，以為褚明會分配一個自己擅長的工作。其實不然，褚明是想讓學生跳出自己的舒適圈，去做原本並不擅長的事。“人是有惰性的，習慣於在自己熟悉的圈內工作。但如果現在覺得很舒服，走出校園之後，面對困難時就會捉襟見肘。所以我給他們佈置課題的時候，就是讓他們不斷地去面對困難，不斷地去面對自己未知的領域，不斷地去挑戰，這個過程也是對思維的訓練。”不難想象這個過程並不容易，這就更需要老師有充足的耐心來引導。褚明的第一個碩士生很優秀，當時是以北京工商大學機械專業本科第一名的身份保送來的。在剛拿到研究項目時這名學生也很困惑，但在褚明的引導下，她順利地完成了研究課題。研究生畢業時，她不僅囊括了碩士階段該拿的所有獎項，還獲得了北京市優秀碩士生的榮譽稱號。褚明欣慰地說 ：“這就是逆境培養模式帶來的成效。”

“臺上一分鐘，臺下十年功”，在科研中亦是如此。如何正視壓力、緩解壓力，褚明有自己的想法。“我刻意讓大家不要有這種壓力，而在一種很快樂的環境中去做科研。我平時有一個可能跟很多老師不太一樣的地方，就是我不考勤，也不去讓他們刷卡簽到。因為做科研需要的是一種狀態，是一種創新的靈感。”褚明更多的是給予學生們一個充分自由的空間，讓他們去發揮想象力。每當學生們有了靈感時都會和他交流，繼而找出實現想法的途徑。褚明認為這種輕鬆愉悅的氣氛更有助於激發學生們的靈感。

“理工是為社會技術發展服務的，而藝術能讓人的靈魂放鬆。”談及藝術時，褚明這樣說道。在褚明的辦公室裡就放著一把吉他，當他完成繁重的科研工作之後，休息時他就喜歡彈彈吉他唱唱歌。的確，科學與藝術總是相輔相成的。被譽為“中國航天之父”的錢學森院士曾說：“藝術上的修養不僅加深了我對藝術作品中那些詩情畫意和人生哲理的深刻理解，也使我學會了藝術上大跨度的宏觀形象思維。我認為，這些東西對啟迪一個人在科學上的創新是很重要的。”正是在褚明的影響下，他的學生裡也有不少人喜歡上了彈吉他，喜歡上了藝術。

學海無涯，人生有限，不如多一些體驗，多一些挑戰，將會發現更多精彩。這種積極樂觀的態度，將繼續引導褚明和他的團隊探索更多未曾探索的領域，將使機器人技術更好地應用於實踐，更好地服務於社會和國家。

來源：科學中國人2019年6月（上）