盤點北京大學(xué)機器人領(lǐng)域前沿進展，這些成果值得關(guān)注

近年來，機器人技術(shù)在多個領(lǐng)域取得了重大突破，為未來智能化社會的發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。本文將綜述北京大學(xué)幾項近期在機器人領(lǐng)域的重要研究成果，涵蓋了智能家居、深海探測、兩棲機器人、光伏清洗、具身人工智能以及醫(yī)療機器人等多個方向。這些創(chuàng)新性研究不僅推動了機器人技術(shù)的進步，也為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了新的可能性。        

一、智能家居機器人的新突破

北京大學(xué)、斯坦福大學(xué)與智源人工智能研究院的聯(lián)合研究團隊開發(fā)了一個創(chuàng)新的三維具身圖文大模型系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠指導(dǎo)機器人操作各類家電家具，實現(xiàn)復(fù)雜的長程任務(wù)。

這個系統(tǒng)的核心在于將基于三維視覺的精準幾何感知模型與擅長規(guī)劃的二維圖文大模型進行結(jié)合。研究團隊創(chuàng)造性地將基于三維視覺的GAPart技術(shù)引入了機器人的物體操控系統(tǒng)SAGE中。這一創(chuàng)新使SAGE成為首個三維具身圖文大模型系統(tǒng)，為機器人從感知、物理交互到反饋的全鏈路提供了全新的思路。

系統(tǒng)的一大亮點是其交互反饋機制。研究團隊引入了一種機制，能夠在互動過程中利用新獲得的觀測結(jié)果來更新感知結(jié)果并相應(yīng)調(diào)整操作。為了實現(xiàn)這一目標，他們?yōu)榛舆^程設(shè)計了一個兩部分的反饋機制。此外，為了解決首次觀測中可能出現(xiàn)的遮擋和估算錯誤問題，研究者們提出了一個利用交互式觀測來增強操作的模型。   

這項研究的意義在于顯著提升了機器人在物體識別和操作方面的智能水平。SAGE系統(tǒng)實現(xiàn)了泛化的三維零件檢測和精確的位姿估計，克服了以往二維圖像模型在計算精度和推理能力上的局限。這不僅在決策層面增強了機器人的理解能力和問題解決能力，而且在執(zhí)行層面展示了基于GAPart位姿的強大物理操作能力，實現(xiàn)了對不同零件的泛化性操作。

這一突破性進展為機器人在智能家居、家電操控等領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新的道路，向通用性和智能化邁出了重要一步。未來，這項技術(shù)有望在智能家居系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，為用戶提供更加便捷、智能的生活體驗。

二、深水應(yīng)用的生物模擬驅(qū)動技術(shù)

隨著深海探索需求的增加，開發(fā)能適應(yīng)極端水壓的高效水下機器人變得愈發(fā)重要。傳統(tǒng)的驅(qū)動技術(shù)在深水環(huán)境中往往面臨性能受限的問題。為了提升能源效率和設(shè)備可靠性，北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院楊槐團隊領(lǐng)銜的研究項目"打結(jié)人工肌肉用于生物模擬驅(qū)動的深水應(yīng)用"取得了重大突破。

研究團隊借鑒軟體動物的肌肉機制，發(fā)展出了創(chuàng)新的"打結(jié)人工肌肉"技術(shù)。這種人造肌肉由三維打印液晶彈性纖維和加熱細線編織而成，采用獨特的分層編織結(jié)構(gòu)。通過數(shù)值模擬和實驗驗證，研究人員發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)可以提供更大的線性沖程、力速率和損傷耐受性。

這種打結(jié)人工肌肉展現(xiàn)出令人矚目的性能。在水下3000米深處，它能以1赫茲的頻率顯示出可靠的驅(qū)動周期。研究團隊通過推動模型船的實驗，進一步展示了其在實際應(yīng)用中的潛力。這項成果的意義在于解決了傳統(tǒng)驅(qū)動技術(shù)在深海應(yīng)用中的局限性，為構(gòu)建輕量、智能、高適應(yīng)性的水下機器人提供了全新的動力源。打結(jié)人工肌肉具有高效能量轉(zhuǎn)換、快速響應(yīng)、自我修復(fù)及生物相容性等多重優(yōu)勢，有望重塑深海探測設(shè)備的設(shè)計理念。

這項技術(shù)的應(yīng)用前景廣闊，可能推動深?？蒲?、資源勘探、環(huán)境保護乃至深海救援等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)跨越。隨著材料科學(xué)與仿生工程技術(shù)的進一步發(fā)展，打結(jié)人工肌肉有望實現(xiàn)更大規(guī)模的生產(chǎn)與更廣泛的應(yīng)用場景拓展，為深海探索和開發(fā)提供強有力的技術(shù)支持。

三、多模態(tài)軟體兩棲機器人的創(chuàng)新設(shè)計

在兩棲機器人領(lǐng)域，軟體機器人因其能夠主動或被動地根據(jù)周圍環(huán)境調(diào)整自身形態(tài)，以及具有固有柔順性的獨特優(yōu)勢，展現(xiàn)出了巨大的潛力。然而，在實現(xiàn)高機動性和多地形適應(yīng)能力方面，軟體兩棲機器人仍然面臨著巨大挑戰(zhàn)。北京大學(xué)工學(xué)院謝廣明教授團隊的研究人員在這一領(lǐng)域取得了重要突破。

受果蠅幼蟲和海蛞蝓獨特的運動模式啟發(fā)，研究團隊提出了一種基于塑料片增強的薄膜氣動驅(qū)動器的軟體兩棲機器人。這款機器人的運動核心是由四層薄型氣動執(zhí)行器組成的驅(qū)動系統(tǒng)。研究人員對傳統(tǒng)設(shè)計進行了創(chuàng)新性改進，在兩個腔室之間嵌入了一片不可拉伸的塑料片。這一設(shè)計不僅實現(xiàn)了對執(zhí)行器彎曲形態(tài)的限制，顯著提升了機器人的輸出扭矩，還能在機器人身體彎曲時儲存能量，有助于機器人在隨后身體展平時實現(xiàn)更遠的跳躍距離。

這種將柔軟薄膜與半剛性塑料片相結(jié)合的設(shè)計理念，為機器人提供了執(zhí)行連續(xù)跳躍和游動所需的靈活性與強度。通過身體交替的彎曲和展平動作，該機器人在陸地上實現(xiàn)了最高移動速度1.77BL/s，而在水中則達到了最高游動速度0.69BL/s，其性能均超越了現(xiàn)有的軟體兩棲機器人。

研究團隊還借鑒了果蠅幼蟲的跳躍機制來優(yōu)化機器人設(shè)計。通過觀察果蠅幼蟲的彎曲狀態(tài)，研究人員發(fā)現(xiàn)其尾部曲率大于頭部曲率的獨特結(jié)構(gòu)保證了向前的跳躍運動?；谶@一發(fā)現(xiàn)，研究人員在機器人設(shè)計中加入了一對側(cè)鰭，用來限制機器人頭部彎曲。這一設(shè)計細節(jié)確保了在身體彎曲時，機器人能夠尾部與地面充分接觸，從而幫助其實現(xiàn)更穩(wěn)定地向前跳躍。

這項研究的軟體兩棲機器人設(shè)計展現(xiàn)出卓越的多地形適應(yīng)性和多樣化運動能力，顯著提高了機器人在復(fù)雜環(huán)境中的機動性和靈活性。它能夠有效適應(yīng)斜坡、障礙、臺階以及不同質(zhì)地的地面如泥地、沙地和礫石等，使其能夠在多變的地形中執(zhí)行任務(wù)。這一特性對于搜索與救援、戰(zhàn)場偵察和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域具有重要意義。   

此外，該機器人展現(xiàn)了多種運動模態(tài)，包括在陸地和水生環(huán)境中的前進、后退、轉(zhuǎn)彎、自翻等動作，增加了其適用場景和操作復(fù)雜度。高跳躍速度和游泳速度指標表明了其優(yōu)越的運動效率，突破了以往軟體兩棲機器人的速度限制，為未來高速、高效軟體機器人的設(shè)計和應(yīng)用提供了新的視角和技術(shù)參考。

四、智能光伏清洗解決方案

隨著太陽能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，光伏板的清洗維護問題日益凸顯。傳統(tǒng)的人工清洗方式存在諸多問題，包括成本高、周期長、效率低、水資源浪費嚴重等。此外，人工操作時易受力不均勻影響，容易導(dǎo)致光伏電板刮痕或隱裂。特別是在水洗過程中，無法精確掌控水壓變化，高水壓雖然有助于提高清洗效果，但也可能對光伏電板造成不良沖擊。

為解決這些問題，北大智慧城市實驗室提出了采用D2PV智慧終端及兩棲光伏清洗機器人的創(chuàng)新解決方案。這一方案不僅提高了清洗效率，降低了維護成本，還能夠避免傳統(tǒng)清洗方式可能導(dǎo)致的光伏電板損害和安全風(fēng)險。

D2PV智慧終端的設(shè)計包含了多項創(chuàng)新功能。首先，它能夠收集光伏板的性能數(shù)據(jù)，如電壓、電流和溫度。這些數(shù)據(jù)有助于實時監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀況，為優(yōu)化和故障排除提供基礎(chǔ)。其次，通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程監(jiān)控，使用戶能夠隨時隨地查看太陽能系統(tǒng)的狀態(tài)，提高了系統(tǒng)管理的靈活性和便利性。   

此外，D2PV智慧終端還具備性能優(yōu)化功能，能夠自動調(diào)整設(shè)置以最大化能源產(chǎn)出，可能包括調(diào)節(jié)光伏板的角度、管理電池存儲等。這有助于提高太陽能系統(tǒng)的整體效率。最后，它還具備故障診斷功能，能夠識別系統(tǒng)中的問題并發(fā)出警報，使運維人員能夠及時采取措施，降低維護成本和系統(tǒng)停機時間。

與D2PV智慧終端配套的兩棲光伏清洗機器人則進一步提升了清洗效率和質(zhì)量。這種機器人能夠適應(yīng)不同的光伏板安裝環(huán)境，無論是地面還是水上光伏電站，都能夠進行高效清潔。它采用精確控制的水壓系統(tǒng)，既能確保清洗效果，又能避免對光伏板造成損害。

這項技術(shù)的應(yīng)用不僅局限于光伏領(lǐng)域，還延續(xù)了無人機在建筑清洗領(lǐng)域的成功經(jīng)驗。隨著對自動化和智能化解決方案的需求不斷增長，這種多用途和全面化的技術(shù)演進為無人機在未來多個行業(yè)中的應(yīng)用提供了堅實的基礎(chǔ)，并有潛力進一步推動整個無人駕駛技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

五、具身大模型在機械臂控制中的應(yīng)用

人工智能和機器人技術(shù)的融合一直是研究熱點。北京大學(xué)董豪團隊最新發(fā)布的具身大模型研究成果"ManipLLM"在這一領(lǐng)域取得了重要突破。這項研究探索了大語言模型在控制機械臂完成各種日常物體操作方面的潛力，實現(xiàn)了僅通過一張物體圖片就能指導(dǎo)機械臂完成復(fù)雜操作的目標。

ManipLLM的核心創(chuàng)新在于利用大語言模型的推理和面對開放世界的泛化能力，成功提升了模型在物體操縱方面的泛化能力。與傳統(tǒng)方法不同，ManipLLM致力于探索和激發(fā)大語言模型在預(yù)測低層原子任務(wù)的能力，從而實現(xiàn)對更多類別物體的以物體為中心的通用操縱。

研究團隊通過設(shè)計了三個學(xué)習(xí)階段來實現(xiàn)這一目標。首先，他們利用大語言模型的推理能力來解析任務(wù)指令，并生成相應(yīng)的操作計劃。其次，系統(tǒng)將這些計劃轉(zhuǎn)化為具體的操作點和方向，直接在物體圖像上進行預(yù)測。最后，通過一個無需學(xué)習(xí)的閉環(huán)主動式阻抗適應(yīng)策略，系統(tǒng)能夠完成完整的操縱過程。

這種閉環(huán)主動式阻抗適應(yīng)策略的應(yīng)用是ManipLLM的另一個重要創(chuàng)新。在獲得初始接觸姿態(tài)的輸出后，系統(tǒng)利用這一策略來不斷微調(diào)末端執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)方向，從而靈活地適應(yīng)物體的形狀和軸向，逐步完成對物體的操控任務(wù)。具體來說，系統(tǒng)會在當(dāng)前方向的周圍加入一些微小的變化，生成多個可能的移動方向，然后嘗試每個方向，選擇能讓物體移動最遠的方向作為下一步的移動方向。

ManipLLM的研究成果具有重要的理論和實踐意義。它將大語言模型的推理和泛化能力引入機械臂控制領(lǐng)域，實現(xiàn)了對各類日常物體的精確操控。這一技術(shù)不僅顯著提升了模型在未知環(huán)境中的泛化能力，還展現(xiàn)了其在多樣化任務(wù)執(zhí)行中的出色表現(xiàn)。

此外，ManipLLM簡化了人機交互過程，使得非專業(yè)用戶也能輕松指導(dǎo)機械臂完成任務(wù)。這為智能機器人在家庭服務(wù)、醫(yī)療輔助和災(zāi)難救援等潛在應(yīng)用場景中的應(yīng)用開辟了新的可能性。   

這項研究推動了智能機器人領(lǐng)域的發(fā)展，為智能機器人與人類生活更緊密結(jié)合提供了新的道路和技術(shù)基礎(chǔ)。未來，基于ManipLLM的技術(shù)有望在各種需要精確物體操控的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，從而提高工作效率，改善人機協(xié)作體驗。

六、醫(yī)療機器人在微創(chuàng)手術(shù)中的應(yīng)用

在醫(yī)療領(lǐng)域，機器人技術(shù)的應(yīng)用正在不斷拓展，特別是在復(fù)雜的微創(chuàng)手術(shù)中。北京大學(xué)李學(xué)松教授領(lǐng)導(dǎo)的上尿路修復(fù)團隊最近發(fā)表了一篇關(guān)于三維重建導(dǎo)航輔助機器人輸尿管成形術(shù)治療腔靜脈后輸尿管的研究文章，為這一罕見先天性發(fā)育畸形的治療提供了新的解決方案。

腔靜脈后輸尿管是一種罕見的先天性發(fā)育畸形，輸尿管沿下腔靜脈后方繞行再回到正常位置，可引起輸尿管梗阻和腎積水。傳統(tǒng)的手術(shù)治療非常具有挑戰(zhàn)性，需要對下腔靜脈的后方和側(cè)面進行廣泛且精細的解剖工作，稍有不慎可能造成大出血。

李學(xué)松教授團隊開發(fā)的三維重建導(dǎo)航輔助機器人輸尿管成形術(shù)為這一復(fù)雜手術(shù)提供了創(chuàng)新的解決方案。這項技術(shù)結(jié)合了三維重建、導(dǎo)航系統(tǒng)和機器人手術(shù)的優(yōu)勢，大大提高了手術(shù)的精確性和安全性。   

研究團隊詳細展示了該項手術(shù)的具體技術(shù)細節(jié)，包括患者體位、trocar布局和機器人對接位置，以及腔靜脈后輸尿管的定位、游離、離斷和體內(nèi)吻合等步驟。這些詳細的技術(shù)說明為其他醫(yī)療機構(gòu)開展類似手術(shù)提供了寶貴的參考。

更重要的是，研究團隊通過分析不同手術(shù)類型的臨床數(shù)據(jù)和隨訪結(jié)果，證明了三維重建導(dǎo)航輔助機器人輸尿管成形術(shù)治療腔靜脈后輸尿管的安全性和可行性。這一結(jié)論為該技術(shù)的臨床推廣奠定了堅實的基礎(chǔ)。

這項技術(shù)的應(yīng)用意義重大。首先，它為腔靜脈后輸尿管這一罕見疾病的治療提供了一個安全、有效的新選擇。其次，該技術(shù)的成功應(yīng)用展示了機器人輔助手術(shù)在復(fù)雜泌尿系統(tǒng)手術(shù)中的潛力，為其他類型的微創(chuàng)手術(shù)提供了借鑒。最后，這項研究為世界范圍內(nèi)的上尿路修復(fù)醫(yī)生提供了寶貴的經(jīng)驗和參考，有助于推動這一領(lǐng)域的技術(shù)進步。

隨著技術(shù)的進一步完善和推廣，三維重建導(dǎo)航輔助機器人輸尿管成形術(shù)有望成為治療腔靜脈后輸尿管的標準方法，為更多患者帶來福音。同時，這項技術(shù)的成功也為機器人在其他復(fù)雜微創(chuàng)手術(shù)中的應(yīng)用開辟了新的道路，推動了整個醫(yī)療機器人領(lǐng)域的發(fā)展。