國家技術(shù)發(fā)明獎宋愛國：“阿凡達”并不遙遠(yuǎn) 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(xué)技術(shù)獎勵大會上，獲得了國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎，您研究的這個技術(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(shù)。機器人技術(shù)大家都很清楚，大家理解都認(rèn)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(dāng)時由于傳感技術(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(lǐng)域就提出來了一個概念叫人機交互技術(shù)，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(dāng)中，實現(xiàn)人和機器人的協(xié)同工作。

　　這里面的關(guān)鍵是什么呢?舉一個簡單的例子，就是通過各種各樣的傳感技術(shù)，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(dāng)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(fù)雜的環(huán)境當(dāng)中，人就可以決策，該怎么走，該做什么樣的動作，該怎么去完成這種復(fù)雜的任務(wù)。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(shù)，當(dāng)時為什么提出來呢?因為是美國在空間探測當(dāng)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(dāng)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(fù)雜，機器人在這種環(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器人或者月球上的機器人，通過人機交互技術(shù)，使得人就好像在月球環(huán)境當(dāng)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(yīng)用面非常非常廣。

　　另外一個應(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(shù)。就好像醫(yī)生在現(xiàn)場給他醫(yī)療手術(shù)，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(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(lǐng)域，比如家里的掃地機器人，也應(yīng)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?fàn)顩r?

　　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(fù)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(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)進行跟蹤，進行支持，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，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，比方說機器人技術(shù)里人工智能，人工智能的機器學(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(shù)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(dāng)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(guān)鍵技術(shù)。所以在首批863計劃當(dāng)中就把這個研究內(nèi)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(shè)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(biāo)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(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(yuǎn)程手術(shù)當(dāng)中，我對醫(yī)療機器人進行遙操作，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，而這個時候除了要有準(zhǔn)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(shù)醫(yī)生，讓他也能準(zhǔn)確感覺到這個力，這個叫力反饋技術(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百分點，我們能達到5%的準(zhǔn)確度，國外的準(zhǔn)確度大概是7%到8%。

　　第三個關(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(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(yīng)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(yù)測環(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(yán)重的未解耦合。我們當(dāng)時通過十多年提出來了一個結(jié)構(gòu)，一種機械結(jié)構(gòu)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(shù)機器人來舉例，這個大家可能比較清楚，醫(yī)生通過這個設(shè)備，那邊有一個準(zhǔn)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(shù)當(dāng)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(shè)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(shù)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(yuǎn)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(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(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(shù)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(shù)，在網(wǎng)絡(luò)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(guān)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(shù)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(shù)本身的研究前沿，另外一個是技術(shù)的應(yīng)用情況，應(yīng)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(yuǎn)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(xué)術(shù)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(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?

　　宋愛國：因為獲得技術(shù)發(fā)明獎實際上是對過去的20年工作的總結(jié)，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(dāng)時做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(guān)鍵技術(shù)，最后進行實際應(yīng)用。一般來講，這個周期很長，對我們這技術(shù)，我們是花了十幾年，所以這十幾年當(dāng)中還要去堅持，一定要堅持下去，瞄準(zhǔn)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(jié)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(zhǔn)一個方向非常重要，這個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。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(dāng)中會碰到很多失敗，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(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：人機交互遙操作機器人的力覺感知與反饋技術(shù)簡介

　　隨著我國空間探測、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)程控制機器人完成未知或危險環(huán)境中復(fù)雜作業(yè)任務(wù)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(guān)鍵的技術(shù)，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(zhǔn)確地感知與識別操作對象，有效地遠(yuǎn)程控制機器人完成復(fù)雜的操作任務(wù)。

　　該項目歷時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(shè)備，填補了國內(nèi)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(tǒng)。

　　該項目獲國家發(fā)明專利授權(quán)54項、計算機軟件著作權(quán)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(quán)局中國專利優(yōu)秀獎、2012年與2013年日內(nèi)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(yīng)用，為“嫦娥三號”月面巡視器遙操作任務(wù)和衛(wèi)星在軌服務(wù)機器人遙操作任務(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(yīng)堆和核電站工程中得到應(yīng)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(yīng)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。