國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)宋愛國：“阿凡達(dá)”并不遙遠(yuǎn) 未來可通過腦電波控制機(jī)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(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，獲得了國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，您研究的這個(gè)技術(shù)叫人機(jī)交互遙操作機(jī)器人技術(shù)，首先請(qǐng)您給我們大家介紹一下這項(xiàng)技術(shù)。

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

　　這里面的關(guān)鍵是什么呢?舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，就是通過各種各樣的傳感技術(shù)，首先檢測(cè)人的肢體運(yùn)動(dòng)、頭部的運(yùn)動(dòng)等等，讓這些人的肢體運(yùn)動(dòng)的信息作為控制指令發(fā)送給機(jī)器人，機(jī)器人就跟蹤人的各種肢體運(yùn)動(dòng)，也就是說人怎么動(dòng)，機(jī)器人就怎么動(dòng)，而機(jī)器人上面又裝有視覺、力覺、觸覺，把機(jī)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(dāng)于虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境，很多感覺直接作用于人，這樣在很多復(fù)雜的環(huán)境當(dāng)中，人就可以決策，該怎么走，該做什么樣的動(dòng)作，該怎么去完成這種復(fù)雜的任務(wù)。這種機(jī)器人就叫人機(jī)交互遙操作機(jī)器人，它實(shí)際上把人作為人機(jī)環(huán)路重要的決策部分，來實(shí)現(xiàn)人和機(jī)器人的統(tǒng)一。

　　像這種人機(jī)交互機(jī)器人技術(shù)，當(dāng)時(shí)為什么提出來呢?因?yàn)槭敲绹诳臻g探測(cè)當(dāng)中，比方說火星探測(cè)、月球探測(cè)，在這么一個(gè)危險(xiǎn)環(huán)境或者人很難到達(dá)的環(huán)境當(dāng)中，機(jī)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(fù)雜，機(jī)器人在這種環(huán)境當(dāng)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(jī)器人或者月球上的機(jī)器人，通過人機(jī)交互技術(shù)，使得人就好像在月球環(huán)境當(dāng)中，那個(gè)機(jī)器人就是我，我就是那個(gè)機(jī)器人，就有點(diǎn)類似電影《阿凡達(dá)》里面的效果，機(jī)器人就變成我的代理。比方我要去觀測(cè)一個(gè)巖石或者搬動(dòng)一個(gè)巖石，我在我這邊，在地面上人去控制它搬動(dòng)巖石，我做這么一個(gè)動(dòng)作，機(jī)器人就做同樣的動(dòng)作，同時(shí)它搬到巖石的時(shí)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(chǎng)搬巖石或者說我就在月球上身臨其境搬巖石。所以人機(jī)交互遙操作機(jī)器人它的應(yīng)用面非常非常廣。

　　另外一個(gè)應(yīng)用是現(xiàn)在遠(yuǎn)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(yàn)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(jī)交互遙操作，醫(yī)生在北京，那個(gè)病人可能在河北唐山，我通過這套系統(tǒng)控制唐山的機(jī)器人給他進(jìn)行醫(yī)療手術(shù)。就好像醫(yī)生在現(xiàn)場(chǎng)給他醫(yī)療手術(shù)，因?yàn)槲矣兴鞋F(xiàn)場(chǎng)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(yuǎn)程的醫(yī)療手術(shù)。

　　中國網(wǎng)：聽您這么一說，覺得特別神奇，明明是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的個(gè)體，而從另外一方面來看，又是人機(jī)合一的模式，說到機(jī)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(lǐng)域，比如家里的掃地機(jī)器人，也應(yīng)用得非常廣泛，我們又非常好奇，中國的在機(jī)器人研究領(lǐng)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?fàn)顩r?

　　宋愛國：目前中國的機(jī)器人研究是處于黃金的時(shí)期，因?yàn)槲覀儑艺闹匾?，企業(yè)的重視，而且各行各業(yè)都需要機(jī)器人來幫助人去提高工作效率，來完成危險(xiǎn)的、復(fù)雜的，或者人不愿意做的事情。在20年前的時(shí)候，我們國家的機(jī)器人技術(shù)研究還是比較落后的，但是我們國家在863計(jì)劃里面就把機(jī)器人技術(shù)作為關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行跟蹤，進(jìn)行支持，所以在十年前我們國家的機(jī)器人技術(shù)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(jī)器人技術(shù)發(fā)展非常迅速，在很多領(lǐng)域已經(jīng)處于國際的先進(jìn)，有些領(lǐng)域我們開始在領(lǐng)跑了。在一些技術(shù)理論上面也是做得非常好，比方說機(jī)器人技術(shù)里人工智能，人工智能的機(jī)器學(xué)習(xí)，我們國家目前已經(jīng)在國際上處于領(lǐng)跑階段了，你可以看到國際人工智能機(jī)器人學(xué)習(xí)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(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，肯定在人機(jī)交互遙操作機(jī)器人上有所攻克和突破。

　　宋愛國：對(duì)。我今天獲獎(jiǎng)的項(xiàng)目主要是在三個(gè)技術(shù)方面獲得了一些突破。這個(gè)突破也是來之不易，實(shí)際上是差不多有20多年的積累，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面。

　　第一個(gè) 人機(jī)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(jì)劃實(shí)施的時(shí)候，國外對(duì)中國是禁運(yùn)的，在第一批863計(jì)劃當(dāng)中就把機(jī)器人六位力傳感器和觸覺傳感器作為機(jī)器人核心關(guān)鍵技術(shù)。所以在首批863計(jì)劃當(dāng)中就把這個(gè)研究?jī)?nèi)容交給我們實(shí)驗(yàn)室，20多年來，我們解決了高精度的多力傳感器的設(shè)計(jì)、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(jìn)的。從精度指標(biāo)上，我們的精度，不解藕的情況能達(dá)到5%到7%，解藕能達(dá)到1%，比美國ATI公司大概高3到4個(gè)百分點(diǎn)。

　　第二個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是我們解決了里面的力反饋技術(shù)，因?yàn)樵谌藱C(jī)交互遙操作機(jī)器人要把機(jī)器人的感覺不但測(cè)量出來，還要把它能夠以自然的方式作用于人。我舉個(gè)例子，比方說我在遠(yuǎn)程手術(shù)當(dāng)中，我對(duì)醫(yī)療機(jī)器人進(jìn)行遙操作，在遙操作過程當(dāng)中，比方說我控制它用手術(shù)刀給病人切開一下，醫(yī)生這邊要能感覺到手術(shù)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(gè)時(shí)候除了要有準(zhǔn)確測(cè)量的交互力以外，機(jī)器人切割的時(shí)候切割力以外，而且要把這個(gè)力反饋給手術(shù)醫(yī)生，讓他也能準(zhǔn)確感覺到這個(gè)力，這個(gè)叫力反饋技術(shù)。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(gè)百分點(diǎn)，我們能達(dá)到5%的準(zhǔn)確度，國外的準(zhǔn)確度大概是7%到8%。

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

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

　　宋愛國：對(duì)，因?yàn)闇y(cè)量精度，提高兩個(gè)百分點(diǎn)是非常不容易的。因?yàn)樯婕暗蕉嗑S力的測(cè)量和多維力的反饋，一到多維就存在嚴(yán)重的未解耦合。我們當(dāng)時(shí)通過十多年提出來了一個(gè)結(jié)構(gòu)，一種機(jī)械結(jié)構(gòu)以及控制算法實(shí)現(xiàn)了2%到3%的精度的提高，實(shí)際上也就是說把誤差降低了2%到3%個(gè)點(diǎn)。降低一個(gè)點(diǎn)都是非常困難的。

　　我仍然可以用醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人來舉例，這個(gè)大家可能比較清楚，醫(yī)生通過這個(gè)設(shè)備，那邊有一個(gè)準(zhǔn)確力觸覺反饋，我就知道那個(gè)組織到底硬度怎么樣，比方說在腫瘤手術(shù)當(dāng)中，腫瘤要比周圍組織要硬一點(diǎn)，良性腫瘤可能有一個(gè)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(gè)設(shè)備就知道，有沒有包膜或者這個(gè)組織硬度怎么樣，甚至溫度怎么樣，因?yàn)槟[瘤的溫度比周圍溫度也要高一點(diǎn)點(diǎn)，我就能夠正確識(shí)別被操作對(duì)象或者說在醫(yī)療里面需要做手術(shù)的組織和器官的特點(diǎn)，所以力觸覺反饋的精度是非常重要的，它對(duì)提高醫(yī)生或者操作人員對(duì)遠(yuǎn)距離環(huán)境或者危險(xiǎn)環(huán)境它的物理屬性至關(guān)重要。

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

　　國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)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(lǐng)域，比方說在教育領(lǐng)域。我們現(xiàn)在跟中興公司聯(lián)合研制一個(gè)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(shí)驗(yàn)，可以動(dòng)手做，對(duì)于真實(shí)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(cuò)，在網(wǎng)絡(luò)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(gè)衣料可能很粗糙，很不光滑或者說這個(gè)料子不太好，我摸著不舒服，穿著不舒服，你再退貨，我們這個(gè)技術(shù)讓你在網(wǎng)上購物的時(shí)候，不僅能看到，還可以親手摸摸這個(gè)衣服，這個(gè)布料是不是覺得手感很好，這個(gè)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(gè)技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)上來辨別，這個(gè)是山寨貨還是正牌貨是嗎?

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

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

　　宋愛國：可以從兩個(gè)方面，一個(gè)是技術(shù)本身的研究前沿，另外一個(gè)是技術(shù)的應(yīng)用情況，應(yīng)用的前景。

　　從人機(jī)交互遙操作機(jī)器人它的技術(shù)本身發(fā)展的前沿，未來的發(fā)展是以神經(jīng)信號(hào)為媒介，大家看過《阿凡達(dá)》，最終我們要做成類似阿凡達(dá)。我們利用腦電波，利用神經(jīng)電信號(hào)，直接來控制機(jī)器人，同時(shí)機(jī)器人所有感覺又通過神經(jīng)電信號(hào)進(jìn)入人的大腦，使得通過神經(jīng)為媒介，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程遙操作。舉個(gè)例子，我只要戴上腦電帽，我只要想我人怎么動(dòng)，實(shí)際上人并不怎么動(dòng)，想我要怎么動(dòng)，那個(gè)機(jī)器人按照我你的想法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，你可以用腦電波直接控制機(jī)器人。

　　第二機(jī)器人所有感覺又通過腦電波的方式，進(jìn)入你人的大腦，機(jī)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(hào)檢測(cè)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(shí)際上就像阿凡達(dá)一樣。這就是學(xué)術(shù)上的研究前沿，就是以神經(jīng)系統(tǒng)作為人和機(jī)器人的交互方式，人和機(jī)器人之間的交互全部是通過神經(jīng)方式進(jìn)行交互。

　　中國網(wǎng)：可以說這么多技術(shù)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(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，您獲獎(jiǎng)之后最大的感受是什么?

　　宋愛國：因?yàn)楂@得技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)實(shí)際上是對(duì)過去的20年工作的總結(jié)，一個(gè)肯定，這個(gè)獲獎(jiǎng)同時(shí)也是對(duì)今后工作的激勵(lì)，但通過這次獲獎(jiǎng)，我感覺到我們做科研一定要注意兩個(gè)方面，也就是當(dāng)時(shí)做863里面講的頂天立地。什么叫頂天?一定要做學(xué)術(shù)最前沿的，一定要有創(chuàng)新，就是瞄準(zhǔn)學(xué)術(shù)前沿，做最前沿，引領(lǐng)學(xué)術(shù)前沿;立地是什么?你這個(gè)東西成熟以后，一定要應(yīng)用，要有應(yīng)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(jì)當(dāng)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(jì)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(gè)方面一定要抓住。但是頂天和立地，這個(gè)過程是非常漫長(zhǎng)的，因?yàn)槭紫纫鲎钋把氐模钚碌臇|西，同時(shí)一步步把它做成熟，然后要攻破關(guān)鍵技術(shù)，最后進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。一般來講，這個(gè)周期很長(zhǎng)，對(duì)我們這技術(shù)，我們是花了十幾年，所以這十幾年當(dāng)中還要去堅(jiān)持，一定要堅(jiān)持下去，瞄準(zhǔn)一個(gè)方向，不能中途放棄。

　　中國網(wǎng)：做科研工作相對(duì)來說是比較枯燥的，也可能一半時(shí)間在家里，一半時(shí)間在實(shí)驗(yàn)室，有可能一大半時(shí)間都在實(shí)驗(yàn)室，也就是剛才您說的一定要堅(jiān)持，相信這句話也是送給年輕的科研工作者的，最后還想請(qǐng)您總結(jié)幾句話，對(duì)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(zhǔn)一個(gè)方向非常重要，這個(gè)方向要圍繞國家重大工程，選準(zhǔn)前沿學(xué)術(shù)方向，這是一個(gè)。第二，要能夠耐得住寂寞，要能夠長(zhǎng)期堅(jiān)持，就是不能有浮躁之心，可能這當(dāng)中會(huì)碰到很多失敗，包括我們研究當(dāng)中都碰到很多失敗，但是你一直堅(jiān)持下去，很多難題慢慢都會(huì)攻破。 另外，我覺得還要有一些團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，一項(xiàng)研究，一項(xiàng)系統(tǒng)性的研究，實(shí)際上是要有很多人參加的，而且時(shí)間都很長(zhǎng)，這里面的協(xié)作，我們團(tuán)隊(duì)也是十幾年的協(xié)作，這里面一定要做好分工，一定要有團(tuán)隊(duì)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(shù)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(jī)交互遙操作機(jī)器人的力覺感知與反饋技術(shù)簡(jiǎn)介

　　隨著我國空間探測(cè)、核能利用、遠(yuǎn)程制造等領(lǐng)域的快速發(fā)展，迫切需要可遠(yuǎn)程控制機(jī)器人完成未知或危險(xiǎn)環(huán)境中復(fù)雜作業(yè)任務(wù)的人機(jī)交互遙操作系統(tǒng)。而力覺感知與反饋則是人機(jī)交互遙操作機(jī)器人系統(tǒng)極其關(guān)鍵的技術(shù)，它將機(jī)器人與環(huán)境相互作用的力覺信息檢測(cè)并反饋給操作者，使操作者準(zhǔn)確地感知與識(shí)別操作對(duì)象，有效地遠(yuǎn)程控制機(jī)器人完成復(fù)雜的操作任務(wù)。

　　該項(xiàng)目歷時(shí)12年，在國家863項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，以及航天科研院所合作項(xiàng)目的資助下，突破了人機(jī)交互遙操作機(jī)器人的力感知、力反饋、力控制三大關(guān)鍵技術(shù)，研制成功人機(jī)交互遙操作的關(guān)鍵支撐設(shè)備，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，豐富和發(fā)展了我國人機(jī)交互遙操作機(jī)器人技術(shù)及系統(tǒng)。

　　該項(xiàng)目獲國家發(fā)明專利授權(quán)54項(xiàng)、計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)12項(xiàng)。發(fā)表論文186篇，其中SCI收錄96篇，論文被SCI他引820次。相關(guān)成果曾獲2014年江蘇省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、2016年教育部技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)、2010年國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局中國專利優(yōu)秀獎(jiǎng)、2012年與2013年日內(nèi)瓦國際發(fā)明金獎(jiǎng)等。

　　該成果在我國載人航天與探月工程中得到應(yīng)用，為“嫦娥三號(hào)”月面巡視器遙操作任務(wù)和衛(wèi)星在軌服務(wù)機(jī)器人遙操作任務(wù)提供了技術(shù)與設(shè)備保障，為我國未來空間站艙外大型機(jī)械臂的人機(jī)交互遙操作任務(wù)完成了全面的地面試驗(yàn)驗(yàn)證。

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