当算法智能和构造智能相结合，AI机器人会是什么样子？当它们身惩罚歧环境中，能否自主变身，与环境进行交互、主动办理问题？近日，在南方科技大学机器人研究院看到了可在三种不同生物形式间切换自若的变胞AI机器人，具身智能的未来发展从此有了更清晰的认识。
变胞机器人变成小狗的形状。深圳报业集团 张郗郡 摄
变胞首立异领域，获国际机器设计最高奖
日前，一则科研成果视频引发关注。视频中，一款新型类生物机器人，在无需拆卸和重新组装的情形下可实现爬行动物、节肢动物和步哺乳动物平分歧生物形式的转换，它时而缩成一团，时而呈小狗状、蜘蛛状，能钻进狭窄通道，也能攀爬阶梯等障碍。有网友表示：“这是新一代变形金刚”、“‘看我七十二变’被南科大实现了”。带着对变胞机器人的好奇，近日，来到南科大机器人研究院，向英国皇家工程院院士、欧洲科学院院士、IEEE 和 ASME 双会士、南科大机器与能源工程系讲席教授、机器人研究院院长戴建生理解“变形金刚”出身记。
变胞机器人由基于变胞理论创成的多种机构构型组成。变胞机构指能在瞬时使某些构件发生合并、分离，或涌现几何奇异，并使机构有效构件数或自由度数发生变革，从而产生新构型的机构。便是人们口中常提到的“可塑性”。
随着Chat GPT和 SORA的涌现，人们越来越意识到智能机器人时期的来临。在生态环境恶化加剧和自然资源日益紧缺的情形下，各种机器人与机器设备对机构可重构能力与变构造特性的哀求不断提高。这就须要对机器人骨架的机构进行创新设计，使其形态能够随意切换，具备实行多种任务的能力，实现一机多能，达到减少环境污染、能源花费的效果。
从机构设计的角度看，机器人传统机构一旦完成设计，其拓扑构造与活动度就很难改变。而可重构机构由于具有多构态变革，可以知足多任务、多工况与多功能的哀求，实现“一机多用”。
据戴建生先容，1998年，他从生物学事理提出“Metamorphic Mechanisms”，1999年与中国工程院院士张启先共同确认中文翻译为“变胞机构”。变胞机构的研究于1998年被美国机器工程师学会机构学委员会付与双年度最佳论文奖，成为20世纪90年代获最佳论文奖的唯一四篇论文之一。2000年，戴建生又揭橥了关于变胞机构构态模型的文章，由此掀起了国内外对变胞机构和各种新机构研究的热潮。2006年他提出可重构机构，在2009年召开的环球首届 IEEE国际可重构机构与可重构机器人大会上，首创了可重构机构新领域。他在2014年出版的《旋量代数与李群李代数》和《机构学与机器人学的旋量代数与几何根本》后，于2020年出版了《可重构机构与可重构机器人》专著，为变胞机构与可重构机构奠定了深厚的理论根本。如今，变胞机构与可重构机构已成为国内外机构学与机器人学领域的研究热点与主要新研究领域。
戴建生的事情于2020年得到了国际机器设计最高奖：ASME 机器设计最高奖。为1958年以来62年的第58位获奖者，是首位华人获奖者。获奖词是：“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”。在这之后，戴建生于 2023年得到了国际机器理论与机构学联合会的 IFToMM 卓越造诣奖，为20年来的第15位。获奖词为：“在机构和机器科学（“变胞机构”）上取得了非常主要的造诣，由此为国际机器理论与机构学联合会（IFToMM）领域以及机构学和机器科学下一代科学家们建立了新的研究方向”。之前的2015年，他得到了 ASME DED 机构与机器人最高奖，为41年来的第27位获奖者。
突发奇想产灵感，学科交叉匆匆领悟
开启变胞机构的研究，源于一个喷鼻香水盒。1996年，戴建生在研究喷鼻香水包装盒折叠形状时，突发灵感，在生物演化事理根本上，提出了变拓扑和变活动度的变胞机构。
“喷鼻香水包装花样纸盒的造型能吸引不少消费者，但传统生产线做不到外包装的灵巧装置，只能打包成四四方方的纸盒，轻微变一下造型和尺寸都弗成。为提高生产效率，企业找到我，希望设计一款机器人——‘机动手’，安装在生产线上，实现喷鼻香水花样纸盒不同造型的自动包装。”戴建生回顾到。“那时候，我办公桌上堆满了各种各样的纸盒，每天我都打开再折，折了再打开。边折纸盒边打开久了，我就想：为何不能用数学模型来描述这些‘花样纸盒’的轨迹？由于纸盒没有数学模型，我就提出映射方法，把纸盒映射为一个机构，折痕变成铰链，纸板变成连杆。就这样，铰链连杆机构出炉了。再之后，我给出了点线图和拓扑图，提出了各种矩阵变换以举证来描述这一机构。”戴建生说。
在戴建生的电脑上，看到了当年包装盒如山的办公桌和机动手的雏形。用他的话说：“变胞机构来自艺术启迪，生物学贯通，数学主导和实践领悟。这里面既有设计学，生命科学和材料科学，也有数学和机器人学，不同学科相互交叉，出身了改变人类进步的动力。
在南科大机器人研究院，还看到了变胞类人机动手、变胞足式机器人、仿生跨域六足机器人等各种发明。据戴建生先容，环球大范围开展变胞机构研究时，中国侧重理论研究，他提出变胞机构理论后，开始琢磨如何将理论从平面运用到空间，使机器人构造更机动。于是，他瞄准了智能构造进化机器人这一方向。
“1992年提出智能构造进化机器人以来32年了，研究焦点始终勾留在进化算法上，我们打算开辟一条新路，即在构造进化高下功夫，让机器人在构造上更靠近自然界万物进化过程中所呈现的形态。”戴建生表示，“人工智能如何与机器人更好地结合？这离不开算法智能和构造智能的双向奔赴，如果两者都兼顾，那么就完备实现了人工智能在物理天下的运用，机器人研究也将上个新台阶。”
与常规机器人持有固定造型不同，变胞机器人可以用本体、躯、身实现各种各样的变革，更适应自然条件或事情需求，比如抢险救灾过程中越障、夹持抓举等。戴建生见告，其团队正在研发变胞类人手和变胞多足机器人，其外型从节肢动物到爬行动物再到哺乳动物自由变革，有时可眇小至毫米级，今年年底或明年有望推出。同时，不同造型和新产品也正逐步出身。
目光锁定大湾区，研讨互助创共赢
机器人领域的研究，戴建生做了34年，个中在变胞机构与可重构领域的研讨就有二十余年。如今，他将目光锁定在粤港澳大湾区。用他的话来说，大湾区实现了“双赢”。
（除署名外图片均由戴建生院士供应）
南科大机器人研究院成立于2017年10月，立足大湾区，结合机器人前沿成果和粤港澳大湾区家当上风与计策布局，与国内外顶尖团队及企业互助，在仿生、变胞、软体、足式机器人等方向开展研究；在工业、建筑、医疗、智能制造等领域上，不断创建新理论，引领学科发展，办理难点技能，打造智能制造与机器人“双一流”学科。目前，研究院现已建立了3个省市级重点实验室，8个校企联合实验室，4名院士，41位西席涵盖5个学院和11个系。
“粤港澳大湾区给研究院发展带来了很大机遇，不但有国际辐射力，还聚拢了一帮国际顶尖人才。”据理解，研究院现有核心研究成员41人，拥有麻省理工学院、斯坦福大学、英国伦敦国王学院、瑞士联邦理工、清华大学、中国科学院等国内外名校学习和事情经历。研究院依托广东省人体增强与康复机器人重点实验室、深圳市智能机器人与柔性制造重点实验、深圳市仿活气器人与智能系统重点实验室，利用高精尖技能平台上风，重视科技运用与成果转化，积极与国内外有名企业联合搭建机器人研究与教诲平台，探索机器人教诲与机器人家当发展深度领悟的新模式。互助企业包括中建科技、大族激光、大寰机器人、优必选、大疆创新、华大基金、复兴、腾讯、比亚迪、迈瑞、柔宇科技等领军企业，累计建立22个校企联合实验室。“此外，我们还与喷鼻香港理工大学在机器人抓持方面展开互助，与伦敦大学开展软体机器人研发方面的互助，与旧金山大学的教授在折纸技能上互助结合，与澳大利亚莫纳什大学开展农业机器人方面的研究互助。我们融入大湾区培植，大湾区又助力研究院的发展。有了这个平台，科研‘走出去’和‘引进来’不是问题。”戴建生表示。
具身智能机器人引领 AI 下一个潮流。在2023国家自然科学基金评比结果中，由戴建生团队牵头的聚焦 “机器设计、制造及服役中的科学问题（E05）”的智能构造进化机器人重点项目获批立项。地处改革开放的前沿城市深圳，机器人研究院的发展迎来了难得的历史机遇。未来，戴建生坚信，研究院不仅要立足粤港澳大湾区，更要力争引领干系研究冲向国际机器人研究的前沿。
（作者：深圳特区报首席 焦子宇）
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