國家技術(shù)發(fā)明獎宋愛(ài)國：“阿凡達”并不遙遠 未來(lái)可通過(guò)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(ài)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)獎勵大會(huì )上，獲得了國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎，您研究的這個(gè)技術(shù)叫人機交互遙操作機器人技術(shù)，首先請您給我們大家介紹一下這項技術(shù)。

　　宋愛(ài)國：好的，我首先給大家簡(jiǎn)要介紹一下什么是人機交互遙操作機器人技術(shù)。機器人技術(shù)大家都很清楚，大家理解都認為機器人長(cháng)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(lái)呢?它是在80年代，當時(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，我們的機器人并沒(méi)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(shuō)核電站危險環(huán)境，人不能到的環(huán)境，深海等，那么這時(shí)候在80年代，在機器人領(lǐng)域就提出來(lái)了一個(gè)概念叫人機交互技術(shù)，就是讓人和機器人互相協(xié)作來(lái)完成一些工作，也就是把人的智慧引進(jìn)到機器人的控制回路當中，實(shí)現人和機器人的協(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(guò)各種各樣的傳感技術(shù)，首先檢測人的肢體運動(dòng)、頭部的運動(dòng)等等，讓這些人的肢體運動(dòng)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(dòng)，也就是說(shuō)人怎么動(dòng)，機器人就怎么動(dòng)，而機器人上面又裝有視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)，把機器人所有的環(huán)境，交互的感覺(jué)信息反饋給人，在人周?chē)a(chǎn)生相當于虛擬現實(shí)的環(huán)境，很多感覺(jué)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(dòng)作，該怎么去完成這種復雜的任務(wù)。這種機器人就叫人機交互遙操作機器人，它實(shí)際上把人作為人機環(huán)路重要的決策部分，來(lái)實(shí)現人和機器人的統一。

　　像這種人機交互機器人技術(shù)，當時(shí)為什么提出來(lái)呢?因為是美國在空間探測當中，比方說(shuō)火星探測、月球探測，在這么一個(gè)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(wú)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(guò)人機交互技術(shù)，使得人就好像在月球環(huán)境當中，那個(gè)機器人就是我，我就是那個(gè)機器人，就有點(diǎn)類(lèi)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(guān)測一個(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(jué)、觸覺(jué)所有感覺(jué)都反饋回來(lái)，我在這邊就好像我身臨其境在現場(chǎng)搬巖石或者說(shuō)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(gè)應用是現在遠程醫療，醫生是很寶貴的資源，但是在很多小的城市，他可能缺少這樣有經(jīng)驗的醫生，但是醫生如果他要到小城市去給病人開(kāi)刀，路途也很辛苦，如果小城市的病人到大城市里來(lái)，那可能病房又不夠，通過(guò)人機交互遙操作，醫生在北京，那個(gè)病人可能在河北唐山，我通過(guò)這套系統控制唐山的機器人給他進(jìn)行醫療手術(shù)。就好像醫生在現場(chǎng)給他醫療手術(shù)，因為我有所有現場(chǎng)感覺(jué)，我有力覺(jué)，觸覺(jué)，我好像身臨其境給病人開(kāi)刀，從而完成遠程的醫療手術(shù)。

　　中國網(wǎng)：聽(tīng)您這么一說(shuō)，覺(jué)得特別神奇，明明是兩個(gè)相對獨立的個(gè)體，而從另外一方面來(lái)看，又是人機合一的模式，說(shuō)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(lǐng)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(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)展狀況?

　　宋愛(ài)國：目前中國的機器人研究是處于黃金的時(shí)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(lái)幫助人去提高工作效率，來(lái)完成危險的、復雜的，或者人不愿意做的事情。在20年前的時(shí)候，我們國家的機器人技術(shù)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(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(kāi)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(shuō)機器人技術(shù)里人工智能，人工智能的機器學(xué)習，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器人學(xué)習發(fā)展的論文和引用情況，我們國家已經(jīng)在穩居國際第一位。

　　中國網(wǎng)：特別想問(wèn)您的是您今天上午獲得了國家技術(shù)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(ài)國：對。我今天獲獎的項目主要是在三個(gè)技術(shù)方面獲得了一些突破。這個(gè)突破也是來(lái)之不易，實(shí)際上是差不多有20多年的積累，主要體現在三個(gè)方面。

　　第一個(gè) 人機交互遙操作，主要涉及到力觸覺(jué)的傳感器。力觸覺(jué)的傳感器原來(lái)在863計劃實(shí)施的時(shí)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(jué)傳感器作為機器人核心關(guān)鍵技術(shù)。所以在首批863計劃當中就把這個(gè)研究?jì)热萁唤o我們實(shí)驗室，20多年來(lái)，我們解決了高精度的多力傳感器的設計、制造等問(wèn)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(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)，因為在人機交互遙操作機器人要把機器人的感覺(jué)不但測量出來(lái)，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(shuō)我在遠程手術(shù)當中，我對醫療機器人進(jìn)行遙操作，在遙操作過(guò)程當中，比方說(shuō)我控制它用手術(shù)刀給病人切開(kāi)一下，醫生這邊要能感覺(jué)到手術(shù)刀切開(kāi)的力量，所以我可以判斷這塊組織切的是不是正常，有沒(méi)有碰到其他組織，而這個(gè)時(shí)候除了要有準確測量的交互力以外，機器人切割的時(shí)候切割力以外，而且要把這個(gè)力反饋給手術(shù)醫生，讓他也能準確感覺(jué)到這個(gè)力，這個(gè)叫力反饋技術(shù)。在力反饋方面，我們現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)，我們能達到5%的準確度，國外的準確度大概是7%到8%。

　　第三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是力控制。針對人機交互力反饋遙操作機器人在通訊環(huán)節上存在的短時(shí)延(≤2 秒)造成的不穩定問(wèn)題，提出了自適應阻抗匹配無(wú)源控制算法，解決了短時(shí)延情況下力反饋遙操作機器人的穩定性和操作性問(wèn)題;針對人機交互力反饋遙操作機器人在通訊環(huán)節上存在的大時(shí)延(>2 秒)造成的不穩定難題，提出了基于虛擬預測環(huán)境在線(xiàn)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器人的穩定性和操作性難題。

　　中國網(wǎng)：您說(shuō)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(ài)國：對，因為測量精度，提高兩個(gè)百分點(diǎn)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(shí)通過(guò)十多年提出來(lái)了一個(gè)結構，一種機械結構以及控制算法實(shí)現了2%到3%的精度的提高，實(shí)際上也就是說(shuō)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。

　　我仍然可以用醫療手術(shù)機器人來(lái)舉例，這個(gè)大家可能比較清楚，醫生通過(guò)這個(gè)設備，那邊有一個(gè)準確力觸覺(jué)反饋，我就知道那個(gè)組織到底硬度怎么樣，比方說(shuō)在腫瘤手術(shù)當中，腫瘤要比周?chē)M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(méi)包膜，你通過(guò)力觸覺(jué)反饋就可以讓操作人員通過(guò)這個(gè)設備就知道，有沒(méi)有包膜或者這個(gè)組織硬度怎么樣，甚至溫度怎么樣，因為腫瘤的溫度比周?chē)鷾囟纫惨咭稽c(diǎn)點(diǎn)，我就能夠正確識別被操作對象或者說(shuō)在醫療里面需要做手術(shù)的組織和器官的特點(diǎn)，所以力觸覺(jué)反饋的精度是非常重要的，它對提高醫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(guān)重要。

　　中國網(wǎng)：除了剛才您說(shuō)的在探月的領(lǐng)域，在核電領(lǐng)域，在醫療手術(shù)領(lǐng)域，還有沒(méi)有一些應用很廣泛的領(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)明獎二等獎獲得者宋愛(ài)國教授接受中國網(wǎng)專(zhuān)訪(fǎng)

　　宋愛(ài)國：它還有很多領(lǐng)域，比方說(shuō)在教育領(lǐng)域。我們現在跟中興公司聯(lián)合研制一個(gè)具有力觸覺(jué)感覺(jué)的搖控器，中興公司有一套基于IPTV的教育系統，這套教育系統在江蘇有十幾萬(wàn)的用戶(hù)，這里就有很多節目，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，可以動(dòng)手做，對于真實(shí)的力覺(jué)、觸覺(jué)。

　　第二大家都喜歡網(wǎng)上購物，電子購物是最普通，最常見(jiàn)的，但是比方說(shuō)我們看好了一件衣服，覺(jué)得很不錯，在網(wǎng)絡(luò )上我們都看得到，也可以通過(guò)觸控筆把它翻過(guò)來(lái)覆過(guò)去看它的情況，也通過(guò)虛擬人來(lái)看衣服穿著(zhù)的效果，但是可能寄過(guò)來(lái)以后你就發(fā)現，這個(gè)衣料可能很粗糙，很不光滑或者說(shuō)這個(gè)料子不太好，我摸著(zhù)不舒服，穿著(zhù)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(jué)得手感很好，這個(gè)手感很軟，也很舒服，這么你寄過(guò)來(lái)，你就不可能再去退貨了。

　　中國網(wǎng)：也就是說(shuō)我們通過(guò)這個(gè)技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò )上來(lái)辨別，這個(gè)是山寨貨還是正牌貨是嗎?

　　宋愛(ài)國：可以這么說(shuō)，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(shuō)這項技術(shù)已經(jīng)輻射到社會(huì )各個(gè)方面，它的未來(lái)發(fā)展方向又在哪里?

　　宋愛(ài)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)的應用情況，應用的前景。

　　從人機交互遙操作機器人它的技術(shù)本身發(fā)展的前沿，未來(lái)的發(fā)展是以神經(jīng)信號為媒介，大家看過(guò)《阿凡達》，最終我們要做成類(lèi)似阿凡達。我們利用腦電波，利用神經(jīng)電信號，直接來(lái)控制機器人，同時(shí)機器人所有感覺(jué)又通過(guò)神經(jīng)電信號進(jìn)入人的大腦，使得通過(guò)神經(jīng)為媒介，實(shí)現對機器人的遠程遙操作。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)機器人按照我你的想法進(jìn)行運動(dòng)，你可以用腦電波直接控制機器人。

　　第二機器人所有感覺(jué)又通過(guò)腦電波的方式，進(jìn)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(jué)到，而不用像現在我們用手控器，力反饋數據手套等等這些裝置，這些物理裝置給人以力和觸覺(jué)刺激，以后直接通過(guò)電擊這種刺激，它摸到東西，把傳感信號檢測出來(lái)，通過(guò)人神經(jīng)通路上加電脈沖產(chǎn)生同樣的感覺(jué)，最終實(shí)際上就像阿凡達一樣。這就是學(xué)術(shù)上的研究前沿，就是以神經(jīng)系統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(guò)神經(jīng)方式進(jìn)行交互。

　　中國網(wǎng)：可以說(shuō)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)明獎二等獎，您獲獎之后最大的感受是什么?

　　宋愛(ài)國：因為獲得技術(shù)發(fā)明獎實(shí)際上是對過(guò)去的20年工作的總結，一個(gè)肯定，這個(gè)獲獎同時(shí)也是對今后工作的激勵，但通過(guò)這次獲獎，我感覺(jué)到我們做科研一定要注意兩個(gè)方面，也就是當時(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(wèn)題，只有解決了國家重大工程中的重大問(wèn)題和國民經(jīng)濟中的一些重大需求問(wèn)題，你的研究才能完全落地。所以我覺(jué)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(guò)程是非常漫長(cháng)的，因為首先要做最前沿的，最新的東西，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)際應用。一般來(lái)講，這個(gè)周期很長(cháng)，對我們這技術(shù)，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(gè)方向，不能中途放棄。

　　中國網(wǎng)：做科研工作相對來(lái)說(shuō)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)驗室，有可能一大半時(shí)間都在實(shí)驗室，也就是剛才您說(shuō)的一定要堅持，相信這句話(huà)也是送給年輕的科研工作者的，最后還想請您總結幾句話(huà)，對年輕的科研工作者的一些囑托，一些寄語(yǔ)。

　　宋愛(ài)國：最主要的選準一個(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(cháng)期堅持，就是不能有浮躁之心，可能這當中會(huì )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(huì )攻破。 另外，我覺(jué)得還要有一些團隊協(xié)作精神，一項研究，一項系統性的研究，實(shí)際上是要有很多人參加的，而且時(shí)間都很長(cháng)，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(lái)的，再一次謝謝宋教授給我們帶來(lái)這么多技術(shù)的分享，謝謝您!

　　宋愛(ài)國：也謝謝主持人。

　　中國網(wǎng)：也謝謝各位網(wǎng)友的收看，再見(jiàn)!

　　附錄：人機交互遙操作機器人的力覺(jué)感知與反饋技術(shù)簡(jiǎn)介

　　隨著(zhù)我國空間探測、核能利用、遠程制造等領(lǐng)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(wù)的人機交互遙操作系統。而力覺(jué)感知與反饋則是人機交互遙操作機器人系統極其關(guān)鍵的技術(shù)，它將機器人與環(huán)境相互作用的力覺(jué)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(wù)。

　　該項目歷時(shí)12年，在國家863項目、國家自然科學(xué)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(guān)鍵技術(shù)，研制成功人機交互遙操作的關(guān)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(shù)及系統。

　　該項目獲國家發(fā)明專(zhuān)利授權54項、計算機軟件著(zhù)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(guān)成果曾獲2014年江蘇省科技進(jìn)步一等獎、2016年教育部技術(shù)發(fā)明一等獎、2010年國家知識產(chǎn)權局中國專(zhuān)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(wù)和衛星在軌服務(wù)機器人遙操作任務(wù)提供了技術(shù)與設備保障，為我國未來(lái)空間站艙外大型機械臂的人機交互遙操作任務(wù)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(lǐng)域得到應用或產(chǎn)業(yè)化，取得了重大的社會(huì )效益和經(jīng)濟效益，近三年新增銷(xiāo)售額10.04億元，新增利潤2.07億元。