國家技術發(fā)明獎宋愛國：“阿凡達”并不遙遠 未來可通過腦電波控制機器人

　　中國網(wǎng)：宋教授，歡迎您作客我們的演播室。

　　宋愛國：主持人您好，各位網(wǎng)友好。

　　中國網(wǎng)：首先恭喜您在今天上午國家科學技術獎勵大會上，獲得了國家技術發(fā)明獎二等獎，您研究的這個技術叫人機交互遙操作機器人技術，首先請您給我們大家介紹一下這項技術。

　　宋愛國：好的，我首先給大家簡要介紹一下什么是人機交互遙操作機器人技術。機器人技術大家都很清楚，大家理解都認為機器人長得像人一樣的機器，能夠代替人從事各種各樣的工作，人機交互遙操作機器人是怎么提出來呢?它是在80年代，當時由于傳感技術，人工智能，還有控制技術的局限性，在很多環(huán)境下面，我們的機器人并沒有達到像人這么高的智慧，那怎么辦呢?我有很多的工作需要機器人去代替人完成，比方說核電站危險環(huán)境，人不能到的環(huán)境，深海等，那么這時候在80年代，在機器人領域就提出來了一個概念叫人機交互技術，就是讓人和機器人互相協(xié)作來完成一些工作，也就是把人的智慧引進到機器人的控制回路當中，實現(xiàn)人和機器人的協(xié)同工作。

　　這里面的關鍵是什么呢?舉一個簡單的例子，就是通過各種各樣的傳感技術，首先檢測人的肢體運動、頭部的運動等等，讓這些人的肢體運動的信息作為控制指令發(fā)送給機器人，機器人就跟蹤人的各種肢體運動，也就是說人怎么動，機器人就怎么動，而機器人上面又裝有視覺、力覺、觸覺，把機器人所有的環(huán)境，交互的感覺信息反饋給人，在人周圍產(chǎn)生相當于虛擬現(xiàn)實的環(huán)境，很多感覺直接作用于人，這樣在很多復雜的環(huán)境當中，人就可以決策，該怎么走，該做什么樣的動作，該怎么去完成這種復雜的任務。這種機器人就叫人機交互遙操作機器人，它實際上把人作為人機環(huán)路重要的決策部分，來實現(xiàn)人和機器人的統(tǒng)一。

　　像這種人機交互機器人技術，當時為什么提出來呢?因為是美國在空間探測當中，比方說火星探測、月球探測，在這么一個危險環(huán)境或者人很難到達的環(huán)境當中，機器人能大大降低成本，但是火星環(huán)境也好，月球環(huán)境也好，環(huán)境事先都不知道，非常非常復雜，機器人在這種環(huán)境當中，它無法做出正確的判斷，就提出了地面的人和火星上的機器人或者月球上的機器人，通過人機交互技術，使得人就好像在月球環(huán)境當中，那個機器人就是我，我就是那個機器人，就有點類似電影《阿凡達》里面的效果，機器人就變成我的代理。比方我要去觀測一個巖石或者搬動一個巖石，我在我這邊，在地面上人去控制它搬動巖石，我做這么一個動作，機器人就做同樣的動作，同時它搬到巖石的時候，抓取巖石的力覺、觸覺所有感覺都反饋回來，我在這邊就好像我身臨其境在現(xiàn)場搬巖石或者說我就在月球上身臨其境搬巖石。所以人機交互遙操作機器人它的應用面非常非常廣。

　　另外一個應用是現(xiàn)在遠程醫(yī)療，醫(yī)生是很寶貴的資源，但是在很多小的城市，他可能缺少這樣有經(jīng)驗的醫(yī)生，但是醫(yī)生如果他要到小城市去給病人開刀，路途也很辛苦，如果小城市的病人到大城市里來，那可能病房又不夠，通過人機交互遙操作，醫(yī)生在北京，那個病人可能在河北唐山，我通過這套系統(tǒng)控制唐山的機器人給他進行醫(yī)療手術。就好像醫(yī)生在現(xiàn)場給他醫(yī)療手術，因為我有所有現(xiàn)場感覺，我有力覺，觸覺，我好像身臨其境給病人開刀，從而完成遠程的醫(yī)療手術。

　　中國網(wǎng)：聽您這么一說，覺得特別神奇，明明是兩個相對獨立的個體，而從另外一方面來看，又是人機合一的模式，說到機器人，不光我非常感興趣，相信廣大的網(wǎng)友也非常感興趣，而且在我們生活領域，比如家里的掃地機器人，也應用得非常廣泛，我們又非常好奇，中國的在機器人研究領域，目前是處于什么樣的水平，在國際上又有什么樣的發(fā)展狀況?

　　宋愛國：目前中國的機器人研究是處于黃金的時期，因為我們國家政府的重視，企業(yè)的重視，而且各行各業(yè)都需要機器人來幫助人去提高工作效率，來完成危險的、復雜的，或者人不愿意做的事情。在20年前的時候，我們國家的機器人技術研究還是比較落后的，但是我們國家在863計劃里面就把機器人技術作為關鍵技術進行跟蹤，進行支持，所以在十年前我們國家的機器人技術有了很大的發(fā)展。特別是2010年以后，由于我們國家政府的重視，企業(yè)的大力投入，我們國家機器人技術發(fā)展非常迅速，在很多領域已經(jīng)處于國際的先進，有些領域我們開始在領跑了。在一些技術理論上面也是做得非常好，比方說機器人技術里人工智能，人工智能的機器學習，我們國家目前已經(jīng)在國際上處于領跑階段了，你可以看到國際人工智能機器人學習發(fā)展的論文和引用情況，我們國家已經(jīng)在穩(wěn)居國際第一位。

　　中國網(wǎng)：特別想問您的是您今天上午獲得了國家技術發(fā)明獎二等獎，肯定在人機交互遙操作機器人上有所攻克和突破。

　　宋愛國：對。我今天獲獎的項目主要是在三個技術方面獲得了一些突破。這個突破也是來之不易，實際上是差不多有20多年的積累，主要體現(xiàn)在三個方面。

　　第一個 人機交互遙操作，主要涉及到力觸覺的傳感器。力觸覺的傳感器原來在863計劃實施的時候，國外對中國是禁運的，在第一批863計劃當中就把機器人六位力傳感器和觸覺傳感器作為機器人核心關鍵技術。所以在首批863計劃當中就把這個研究內容交給我們實驗室，20多年來，我們解決了高精度的多力傳感器的設計、制造等問題，所以我們目前六位力傳感器的精度，可靠性方面，目前是比美國ATI公司要先進的。從精度指標上，我們的精度，不解藕的情況能達到5%到7%，解藕能達到1%，比美國ATI公司大概高3到4個百分點。

　　第二個關鍵技術是我們解決了里面的力反饋技術，因為在人機交互遙操作機器人要把機器人的感覺不但測量出來，還要把它能夠以自然的方式作用于人。我舉個例子，比方說我在遠程手術當中，我對醫(yī)療機器人進行遙操作，在遙操作過程當中，比方說我控制它用手術刀給病人切開一下，醫(yī)生這邊要能感覺到手術刀切開的力量，所以我可以判斷這塊組織切的是不是正常，有沒有碰到其他組織，而這個時候除了要有準確測量的交互力以外，機器人切割的時候切割力以外，而且要把這個力反饋給手術醫(yī)生，讓他也能準確感覺到這個力，這個叫力反饋技術。在力反饋方面，我們現(xiàn)在的力反饋的精度也是比國外力反饋精度能夠高兩個百分點，我們能達到5%的準確度，國外的準確度大概是7%到8%。

　　第三個關鍵技術是力控制。針對人機交互力反饋遙操作機器人在通訊環(huán)節(jié)上存在的短時延(≤2 秒)造成的不穩(wěn)定問題，提出了自適應阻抗匹配無源控制算法，解決了短時延情況下力反饋遙操作機器人的穩(wěn)定性和操作性問題;針對人機交互力反饋遙操作機器人在通訊環(huán)節(jié)上存在的大時延(>2 秒)造成的不穩(wěn)定難題，提出了基于虛擬預測環(huán)境在線建模和修正的力反饋遙操作控制技術，解決了大時延情況下力反饋遙操作機器人的穩(wěn)定性和操作性難題。

　　中國網(wǎng)：您說的高兩個百分點是什么樣的概念，如果他們要突破這兩個百分點，是不是需要下非常大的努力?

　　宋愛國：對，因為測量精度，提高兩個百分點是非常不容易的。因為涉及到多維力的測量和多維力的反饋，一到多維就存在嚴重的未解耦合。我們當時通過十多年提出來了一個結構，一種機械結構以及控制算法實現(xiàn)了2%到3%的精度的提高，實際上也就是說把誤差降低了2%到3%個點。降低一個點都是非常困難的。

　　我仍然可以用醫(yī)療手術機器人來舉例，這個大家可能比較清楚，醫(yī)生通過這個設備，那邊有一個準確力觸覺反饋，我就知道那個組織到底硬度怎么樣，比方說在腫瘤手術當中，腫瘤要比周圍組織要硬一點，良性腫瘤可能有一個包膜，惡性腫瘤一般沒包膜，你通過力觸覺反饋就可以讓操作人員通過這個設備就知道，有沒有包膜或者這個組織硬度怎么樣，甚至溫度怎么樣，因為腫瘤的溫度比周圍溫度也要高一點點，我就能夠正確識別被操作對象或者說在醫(yī)療里面需要做手術的組織和器官的特點，所以力觸覺反饋的精度是非常重要的，它對提高醫(yī)生或者操作人員對遠距離環(huán)境或者危險環(huán)境它的物理屬性至關重要。

　　中國網(wǎng)：除了剛才您說的在探月的領域，在核電領域，在醫(yī)療手術領域，還有沒有一些應用很廣泛的領域，跟我們老百姓切身相關的，我們能夠真真切切感受到的。

　　國家技術發(fā)明獎二等獎獲得者宋愛國教授接受中國網(wǎng)專訪

　　宋愛國：它還有很多領域，比方說在教育領域。我們現(xiàn)在跟中興公司聯(lián)合研制一個具有力觸覺感覺的搖控器，中興公司有一套基于IPTV的教育系統(tǒng)，這套教育系統(tǒng)在江蘇有十幾萬的用戶，這里就有很多節(jié)目，不僅能夠看得到，而且可以摸得到，可以在這里邊做一些虛擬的實驗，可以動手做，對于真實的力覺、觸覺。

　　第二大家都喜歡網(wǎng)上購物，電子購物是最普通，最常見的，但是比方說我們看好了一件衣服，覺得很不錯，在網(wǎng)絡上我們都看得到，也可以通過觸控筆把它翻過來覆過去看它的情況，也通過虛擬人來看衣服穿著的效果，但是可能寄過來以后你就發(fā)現(xiàn)，這個衣料可能很粗糙，很不光滑或者說這個料子不太好，我摸著不舒服，穿著不舒服，你再退貨，我們這個技術讓你在網(wǎng)上購物的時候，不僅能看到，還可以親手摸摸這個衣服，這個布料是不是覺得手感很好，這個手感很軟，也很舒服，這么你寄過來，你就不可能再去退貨了。

　　中國網(wǎng)：也就是說我們通過這個技術，在網(wǎng)絡上來辨別，這個是山寨貨還是正牌貨是嗎?

　　宋愛國：可以這么說，關鍵是你不僅能看到，還能摸得到，能觸摸到這個衣服的紋理。

　　中國網(wǎng)：可以說這項技術已經(jīng)輻射到社會各個方面，它的未來發(fā)展方向又在哪里?

　　宋愛國：可以從兩個方面，一個是技術本身的研究前沿，另外一個是技術的應用情況，應用的前景。

　　從人機交互遙操作機器人它的技術本身發(fā)展的前沿，未來的發(fā)展是以神經(jīng)信號為媒介，大家看過《阿凡達》，最終我們要做成類似阿凡達。我們利用腦電波，利用神經(jīng)電信號，直接來控制機器人，同時機器人所有感覺又通過神經(jīng)電信號進入人的大腦，使得通過神經(jīng)為媒介，實現(xiàn)對機器人的遠程遙操作。舉個例子，我只要戴上腦電帽，我只要想我人怎么動，實際上人并不怎么動，想我要怎么動，那個機器人按照我你的想法進行運動，你可以用腦電波直接控制機器人。

　　第二機器人所有感覺又通過腦電波的方式，進入你人的大腦，機器人看到什么，摸到什么，你我完全能夠感覺到，而不用像現(xiàn)在我們用手控器，力反饋數(shù)據(jù)手套等等這些裝置，這些物理裝置給人以力和觸覺刺激，以后直接通過電擊這種刺激，它摸到東西，把傳感信號檢測出來，通過人神經(jīng)通路上加電脈沖產(chǎn)生同樣的感覺，最終實際上就像阿凡達一樣。這就是學術上的研究前沿，就是以神經(jīng)系統(tǒng)作為人和機器人的交互方式，人和機器人之間的交互全部是通過神經(jīng)方式進行交互。

　　中國網(wǎng)：可以說這么多技術的研究成果讓您非常地驕傲，也非常地自豪，您今天上午也獲得了國家技術發(fā)明獎二等獎，您獲獎之后最大的感受是什么?

　　宋愛國：因為獲得技術發(fā)明獎實際上是對過去的20年工作的總結，一個肯定，這個獲獎同時也是對今后工作的激勵，但通過這次獲獎，我感覺到我們做科研一定要注意兩個方面，也就是當時做863里面講的頂天立地。什么叫頂天?一定要做學術最前沿的，一定要有創(chuàng)新，就是瞄準學術前沿，做最前沿，引領學術前沿;立地是什么?你這個東西成熟以后，一定要應用，要有應用背景。最重要的是什么?我們的研究，要解決國家和國民經(jīng)濟當中一些重大需求的問題，只有解決了國家重大工程中的重大問題和國民經(jīng)濟中的一些重大需求問題，你的研究才能完全落地。所以我覺得做研究一定要頂天立地，這兩個方面一定要抓住。但是頂天和立地，這個過程是非常漫長的，因為首先要做最前沿的，最新的東西，同時一步步把它做成熟，然后要攻破關鍵技術，最后進行實際應用。一般來講，這個周期很長，對我們這技術，我們是花了十幾年，所以這十幾年當中還要去堅持，一定要堅持下去，瞄準一個方向，不能中途放棄。

　　中國網(wǎng)：做科研工作相對來說是比較枯燥的，也可能一半時間在家里，一半時間在實驗室，有可能一大半時間都在實驗室，也就是剛才您說的一定要堅持，相信這句話也是送給年輕的科研工作者的，最后還想請您總結幾句話，對年輕的科研工作者的一些囑托，一些寄語。

　　宋愛國：最主要的選準一個方向非常重要，這個方向要圍繞國家重大工程，選準前沿學術方向，這是一個。第二，要能夠耐得住寂寞，要能夠長期堅持，就是不能有浮躁之心，可能這當中會碰到很多失敗，包括我們研究當中都碰到很多失敗，但是你一直堅持下去，很多難題慢慢都會攻破。 另外，我覺得還要有一些團隊協(xié)作精神，一項研究，一項系統(tǒng)性的研究，實際上是要有很多人參加的，而且時間都很長，這里面的協(xié)作，我們團隊也是十幾年的協(xié)作，這里面一定要做好分工，一定要有團隊協(xié)作精神。

　　中國網(wǎng)：耐的住寂寞，經(jīng)得起失敗，您今天的成功也是在一次一次的失敗中積累起來的，再一次謝謝宋教授給我們帶來這么多技術的分享，謝謝您!

　　宋愛國：也謝謝主持人。

　　中國網(wǎng)：也謝謝各位網(wǎng)友的收看，再見!

　　附錄：人機交互遙操作機器人的力覺感知與反饋技術簡介

　　隨著我國空間探測、核能利用、遠程制造等領域的快速發(fā)展，迫切需要可遠程控制機器人完成未知或危險環(huán)境中復雜作業(yè)任務的人機交互遙操作系統(tǒng)。而力覺感知與反饋則是人機交互遙操作機器人系統(tǒng)極其關鍵的技術，它將機器人與環(huán)境相互作用的力覺信息檢測并反饋給操作者，使操作者準確地感知與識別操作對象，有效地遠程控制機器人完成復雜的操作任務。

　　該項目歷時12年，在國家863項目、國家自然科學基金項目，以及航天科研院所合作項目的資助下，突破了人機交互遙操作機器人的力感知、力反饋、力控制三大關鍵技術，研制成功人機交互遙操作的關鍵支撐設備，填補了國內空白，豐富和發(fā)展了我國人機交互遙操作機器人技術及系統(tǒng)。

　　該項目獲國家發(fā)明專利授權54項、計算機軟件著作權12項。發(fā)表論文186篇，其中SCI收錄96篇，論文被SCI他引820次。相關成果曾獲2014年江蘇省科技進步一等獎、2016年教育部技術發(fā)明一等獎、2010年國家知識產(chǎn)權局中國專利優(yōu)秀獎、2012年與2013年日內瓦國際發(fā)明金獎等。

　　該成果在我國載人航天與探月工程中得到應用，為“嫦娥三號”月面巡視器遙操作任務和衛(wèi)星在軌服務機器人遙操作任務提供了技術與設備保障，為我國未來空間站艙外大型機械臂的人機交互遙操作任務完成了全面的地面試驗驗證。

　　該成果還在核反應堆和核電站工程中得到應用，并且在工業(yè)機器人、特種機器人、智能工程機械等領域得到應用或產(chǎn)業(yè)化，取得了重大的社會效益和經(jīng)濟效益，近三年新增銷售額10.04億元，新增利潤2.07億元。