張進華：探尋“以柔克剛”的軟體機器人之謎

從1959年第一臺工業(yè)機器人誕生以來，學家就一直癡迷于機器人的設計與幻想。不過，機器人的出現是為了協助或替代人類進行更好的工作，現在大多數的機器人仍然是硬邦邦的“硬漢”。對于機器人來說，“硬”還是“軟”的選擇是近年來才出現的一個問題。人類正在不斷擴展自己的想象力和創(chuàng)造力，開發(fā)出軟萌如“大白”的機器人，這種利用柔性材料來制作的機器人，被稱為軟體機器人。

當前，這一研究正在學術界如火如荼地進行著，西安交通大學機械工程學院教授張進華正在努力開發(fā)一種高性能的軟體機器人，希望能在醫(yī)學、軍事、探測、工業(yè)等領域得到更多的應用。他說：“目前，軟體機器人的發(fā)展還不能完全替代剛性機器人，剛柔并濟、軟硬兼?zhèn)湟苍S是機器人發(fā)展的一個重要方向。兩者缺一不可，我們還要繼續(xù)努力。”

最好的安排：

選擇機械

張進華高考的那一年，恰逢西安交通大學100周年校慶，鋪天蓋地的校慶宣傳活動，讓遠在山東的他知道了西北有一所歷史悠久、底蘊深厚的百年名校。而西安交通大學的機械工程學更是在全國名列前茅，于是張進華幾乎沒有猶豫地選擇了它?！拔页錾碛谵r村，本來是想本畢業(yè)之后直接工作的。”張進華坦言人生總是會有很多的意外，成績優(yōu)秀的他在本畢業(yè)時順利保研。讀研之后，張進華對研的興趣越發(fā)強烈，他憑借碩士期間的優(yōu)秀成績留校工作。

“留校之后，每天忙著研和教學的同時深刻意識到攻讀博士學位的重要性?！蔽靼步煌ù髮W良好的學氛圍和身邊老師給予的幫助讓張進華選擇在本校在職讀博?！笆畮啄甑臅r間轉瞬即逝，西交大就和我的家一樣，我對學校有依賴感，想繼續(xù)留在這兒工作?！辈┦慨厴I(yè)后，已為研工作做好知識儲備的張進華正式在母校開始了新興與傳統(tǒng)不斷碰撞的研道路。

未來的福音：康復軟體手

據不完全統(tǒng)計，2016年全球新增中風病人1370萬，僅中國就占了40%，其中大部分人在病發(fā)后失去了手部功能。傳統(tǒng)的治療手段主要依靠康復醫(yī)師輔助患者進行關節(jié)活動和肌力訓練，但其訓練效果受醫(yī)生經驗和業(yè)務水平及訓練時間等因素的影響。因此有很多研究者研發(fā)了相關的康復機器人輔助患者訓練以重新獲取肢體的運動機能。

“康復師在康復過程中會和病人進行交流，來激發(fā)病人的主動康復意識，但是目前的機器人還做不到人機交互?！睆堖M華說，面對這種情況，研人員提出了一種叫“腦機接口”的解決方案：人體正常的神經通路，是從大腦發(fā)出一個神經信號之后，通過神經元傳到肌肉帶動骨骼進行運動，但是病人中風之后神經信號無法傳導到肌肉，所以從外部接一個通路，如戴腦電帽，把病人的腦電信號提取出來，判斷病人的運動意圖，再轉化為機器人的命令?！斑@樣的解決辦法有兩個好處：一是讓病人有主動的運動意愿，達到主動康復的效果;二是中風的病人更多的是肢體不能運動，通過識別病人主動的肢體運動意圖，然后控制機器人輔助患者進行運動，達到主被動結合的康復效果?！?/p>

張進華將腦機接口康復技術的原理與軟體技術進行結合，以此開發(fā)出康復軟體機器人。目前在市場上，輔助康復的剛性機器人比較多，但是剛性機器人力量比較大，碰上中風病人痙攣的時候，可能對病人造成損傷。而軟體機器人雖然力量較小，但是依然能夠帶動病人的胳膊或者手去運動，即使病人出現痙攣的情況，由于它本身是軟性材料，也不會對病人造成傷害。

張進華和團隊已成功研制出基于正負氣壓驅動的軟體康復手。這一氣動軟體康復手僅有149克，采用開放式手套，通過欠驅動可以輔助手指實現伸展或屈曲運動和拇指的內收或外展運動的主動訓練?！拔覀兒偷谒能娽t(yī)大學、北京清華長庚醫(yī)院的康復都有交流，通過了解他們康復的需求，進一步完善我們的軟體康復手?！睆堖M華說。

將軟體技術應用于腦機接口康復技術，打破了康復機器人都是剛性機器人的傳統(tǒng)思路，軟體機器人可以充分利用其自身的柔順性、非線性、粘彈性和遲滯特性，降低控制的復雜度，實現高靈活性、強適應性和良好交互性，未來在醫(yī)療康復領域有重要應用價值?！拔磥砝淆g化社會，中風的人會越來越多，術后康復市場也有大的需求，但是康復機構數量少、規(guī)模小，成本也比較高?！睆堖M華說，軟體康復手主要是面對個人，體積較輕、成本低廉、控制精度高、穿戴舒適、安全便攜，能夠適應不同治療階段的需求，完成基本的康復動作，提高患者的康復效率。在中風病人度過危險期后，患者可以借助軟體康復手在家進行自我康復，減輕康復訓練成本。用“溫暖”的軟體康復手替代以往“冷酷”的剛性康復機器人，既節(jié)約了成本，又能給患者帶去更多的人性關懷。

以柔克剛：軟體仿生

除了研究康復機器人，軟體機器人研究領域最前沿的研究方向之一就是軟體仿生機器人。一次偶然的學術交流，讓張進華注意到了軟體仿生機器人這一新興的研究領域。他在與香港中文大學王煜教授交流的過程中，聊到毛毛蟲的仿生結構時突然有了靈感。

張進華發(fā)現了一種叫尺蠖的無脊椎動物，長得和毛毛蟲類似。尺蠖的身體可以彎曲、扭曲、褶皺，同時能夠利用動態(tài)靜水力學改變身體張力實現身體懸臂，通過肌肉的收縮和腹足的配合實現爬行，可在粗糙的樹干、樹葉、地面、草地上等復雜環(huán)境里完成靈活的運動，并且在爬行過程中，可以使其接觸環(huán)境保持穩(wěn)定不晃動，保障了其運動的穩(wěn)定性和安全性，同時還具有撲食獵物的本領。因此，在張進華看來尺蠖是一種非常理想的軟體機器人仿生對象。

“尺蠖的運動雖然很復雜，但是尺蠖的神經卻非常簡單，它采用柔性靜水骨骼代替了脊椎動物體內的剛性骨骼組織，并利用肌肉的生物智能，實現了復雜非結構環(huán)境下的高自由度的空間運動，大大促進了其運動的多樣性?！币虼耍瑥堖M華想借鑒尺蠖的神經控制機理，為軟體機器人的控制提供新的途徑。根據以上的研究發(fā)現，張進華申請到了國家自然學基金面上項目——“基于尺蠖肌肉生物智能的軟體機器人自適應低維控制研究”。

除此之外，張進華還主持了關于仿生魚的國家自然學基金重大研究計劃培育項目——“軟體波動推進機器人復雜形態(tài)計算與優(yōu)化設計研究”和國家自然學基金面上項目——“基于柔性被動自由度感知增強的仿蝠鲼機器魚協調控制研究”。在這兩個項目中，他研究的對象是海洋中的軟骨魚類，其中蝠鲼和魟魚憑借其獨特的身體結構和高效的運動能力，已成為水下自主式航行器的主要仿生對象。

蝠鲼和魟魚身體扁平，柔軟的胸鰭分布于身體兩側。在游動過程中，通過兩側胸鰭有節(jié)律的拍動或波動變形推動身體運動，可完成巡游、轉彎、起、停以及姿態(tài)保持的游動推進動作，有著高游動效率和高速轉向的能力。在張進華看來，如果尺蠖可以看作一個一維的梁單元，那么蝠鲼和魟魚則屬于一個二維的軟體單元。因為蝠鲼和魟魚都是具有無限自由度的連續(xù)體，它們通過自己的主動或者被動變形與周圍環(huán)境相互作用，從而完成自身的運動需求，充分發(fā)揮它們的形態(tài)學計算（Morphological?Computation）能力。

張進華首先從仿生的角度了解到生物主動變形和被動變形的幾何層面的“形”，再進一步了解到生物的剛度分布與主動變化的物理層面的“態(tài)”，最終通過幾何和物理層面的“形-態(tài)”深度仿生為軟體機器人設計提供新的思路。

探索不息：傳統(tǒng)軸承

在進行軟體機器人仿生研究的同時，張進華也對傳統(tǒng)滾動軸承技術有深度的研究。新興的軟體機器人、人機交互研究和傳統(tǒng)的滾動軸承技術研究盡管看上去風馬牛不相及，但在張進華眼中卻是一脈相承。

從外形上看，軟體機器人和滾動的軸承技術并沒有什么關聯。但是張進華從內部建模入手，發(fā)現滾動軸承是一個典型的多體動力學模型，多個組件一起運動。而尺蠖也是利用很多肌肉進行分布式驅動，是一個偏柔性的多體動力學模型，在機理上有相通的地方。

“這兩年國家的高鐵建設發(fā)展很快，高鐵列車的核心技術已經實現完全自主化生產，但關鍵零部件如高鐵軸承還是需要依靠進口?！眹覍﹃P鍵軸承技術的迫切需求，是張進華及其團隊一直致力于軸承技術理論分析和研究的主要原因。

在軸承研究上，張進華遭遇了不少挫折。他發(fā)現，滾動軸承內部空間非常狹小，現有的測量手段很難在線測試其內部的狀態(tài)。其次由于滾動軸承的運動比較復雜，它的各種摩擦力和接觸狀態(tài)也十分復雜，建模計算時有很多系數需要進行選擇，但到底應該怎么選，目前只能通過經驗來選，這些系數背后的機理卻難以厘清?！斑@可能是當時對我來說最大的挫折了。”張進華意識到書本上的理論雖然說得頭頭是道，但是對現實中如何指導軸承的設計還存在不小的差距。

“我們不知道的事情實在是太多了，這也是我堅持做軸承的一個原因。”目前張進華的同事在做的工作是通過紅外線或者激光的方式，使用特殊材料，放到軸承內部，當其溫度發(fā)生變化的時候，激光的波長就會發(fā)生改變，這種非接觸的測量方式可以為他們揭示軸承內部溫度的變化。張進華還表示，下一步想嘗試用超聲波的方式來檢測軸承內部潤滑油的變化，他們仍然在探索的路上。

最大的挑戰(zhàn)：堅持最難

作為一名研工作者，張進華的生活總是和研分不開。雖然工作忙碌，但是大學相對彈性的工作時間讓他能更有針對性地處理家庭和工作上的事情。忙碌的工作之余，張進華最愛去籃球場上揮灑汗水，“打籃球是上大學之后唯一一個堅持下來的運動，以后也要繼續(xù)堅持下去”。張進華覺得運動是非常重要的事情，在球場上的時刻，他不用考慮生活和研的事情，只是純粹地去運動，在出過一身汗后，釋放掉一些多余的壓力。

十余年的研經歷讓張進華知道，前行的道路上總能遇到無法預知的難題，最困難的不是遇到解決不了的難題，而是遇到難題之后能不能堅持下去，堅持之后能不能找到解決辦法，這才是最大的挑戰(zhàn)?！氨热缥覀儸F在做軟體，智能材料、驅動材料是制約其發(fā)展的最大問題。”軟體仿生用到的硅膠材料和生物原本的材質相差很大，如何解決呢？張進華說他們通過改變硅膠材料的結構，模擬生物肌肉的特性，盡可能地做到相似，再設計實驗進行測試，通過相關的研究結果再進行不斷的改進。

張進華自嘲自己有點“受虐”體質，很多時候他不希望研究一步到位，而是希望能夠在研究過程中遇到新問題，這樣更能激發(fā)他的研興趣。“只有發(fā)現新的問題才會激勵你不停地去學習。”正是在解決新問題的過程中帶來的愉悅感和成就感，促使張進華在研道路上不斷往前邁進。

對未來，張進華有著非常清晰的規(guī)劃。短期內的目標是把研發(fā)出來的軟體康復手全面推廣到醫(yī)院的康復去使用，從實驗室走向產業(yè)化?！拔疫@一輩子，就是希望自己研發(fā)出來的產品，哪怕只有一個，只要它能夠真正在日常生活中得到應用，那就是我最有成就感的事情了?！痹谖覈圃鞓I(yè)水平不斷提升的當下，軟體機器人的研發(fā)將進入快速增長期，極有可能成為中國下一個經濟增長點，張進華相信，軟體機器人的研究也將大有可為。

（責編：蘇寒山）