2004 年，南航第一代「大壁虎」仿生機(jī)器人問世。歷經(jīng) 7 年更新完善，研究團(tuán)隊(duì)在改善運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)、遠(yuǎn)程控制以及電動(dòng)機(jī)更新等問題的基礎(chǔ)上，2011 年，終于成功實(shí)現(xiàn)「大壁虎」的 90 度自由爬行。

這一研究由南航戴振東教授帶領(lǐng)，在這期間，戴振東教授負(fù)責(zé)《類壁虎仿生機(jī)器人的關(guān)鍵基礎(chǔ)》項(xiàng)目，在這一項(xiàng)目中，他們建立了規(guī)范的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室飼養(yǎng)體系，研究壁虎運(yùn)動(dòng)仿生所需要的生物神經(jīng)信息學(xué)、運(yùn)動(dòng)力學(xué)協(xié)調(diào)等基礎(chǔ)問題，為特種機(jī)器人學(xué)、神經(jīng)信息學(xué)、運(yùn)動(dòng)生理學(xué)等相關(guān)學(xué)科的交融和交叉發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

據(jù)雷鋒網(wǎng) AI 科技評(píng)論了解，建立南航仿生結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)研究所以來，戴振東教授團(tuán)隊(duì)對(duì)壁虎、鴿子、樹蛙以及十多種昆蟲鞘翅展開研究，還研究了泡沫金屬的制備和性能以及幾十種樹葉的微結(jié)構(gòu)和疏水性關(guān)系。如今，距離實(shí)現(xiàn) 90 度自由爬行的仿壁虎機(jī)器人已過去 7 年之久，相信大家對(duì)他們的最新研究一定非常好奇。

作為國(guó)內(nèi)仿生學(xué)研究領(lǐng)域的佼佼者，戴振東教授將蒞臨 CCF-GAIR 大會(huì)帶來主題報(bào)告，與大家分享仿生機(jī)器人研究體會(huì)和未來發(fā)展。

會(huì)前，雷鋒網(wǎng) AI 科技評(píng)論對(duì)戴振東教授進(jìn)行了一次郵件采訪，談到此次仿生機(jī)器人論壇的亮點(diǎn)，戴振東教授表示，這次論壇將會(huì)把理論與實(shí)際結(jié)合，既有前沿的探索，又有落地的應(yīng)用。

在采訪中，戴振東教授表達(dá)了如下觀點(diǎn)：

• 仿生學(xué)是一個(gè)橫斷和前沿領(lǐng)域，涉及學(xué)科眾多，這一學(xué)科可以用「跨學(xué)科交叉融合」、「啟發(fā)原創(chuàng)」、「前沿探索」、「工程應(yīng)用」關(guān)鍵詞來表述。

• 仿生學(xué)在中國(guó)的發(fā)展可以一直追溯到古代的「木牛流馬」、漁船搖擼、魯班發(fā)明木鋸。

• 仿壁虎機(jī)器人成功的核心因素包括對(duì)機(jī)器人如何感知黏附接觸的狀態(tài)、感知自身的重力角、通過學(xué)習(xí)掌握對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)模式等的研究。

• 仿生學(xué)研究的難點(diǎn)在于從研究生物到理解生物再到工程實(shí)現(xiàn)，周期太長(zhǎng)，很多人難以堅(jiān)持。

戴振東教授也提出仿生學(xué)研究現(xiàn)存的問題——理解動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的生物學(xué)家不懂機(jī)器人控制，而做機(jī)器人控制及軟件編程的研究人員很少知道機(jī)器人是如何運(yùn)動(dòng)的。他表示，兩個(gè)領(lǐng)域的專家需要多多交流，多多進(jìn)行思想上的碰撞。

戴振東，博士，教授，博士生導(dǎo)師。1983、1986 和 1999 年在南京航空航天大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士和博士學(xué)位。2002 年創(chuàng)建仿生結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)研究所，任所長(zhǎng)。是國(guó)家自然基金委員會(huì)十三、十四屆信息學(xué)部咨詢?cè)u(píng)審專家、國(guó)家 863 計(jì)劃評(píng)審專家；國(guó)際仿生工程學(xué)會(huì)中國(guó)代表、固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)委員、摩擦學(xué)學(xué)會(huì)常務(wù)理事；中國(guó)仿生工程學(xué)會(huì)籌建委員；《摩擦學(xué)學(xué)報(bào)》、《J of Bionic Engineering》、《Friction》等多 7 個(gè)學(xué)術(shù)期刊編委，數(shù)十個(gè)國(guó)際仿生/摩擦學(xué)/機(jī)器人專業(yè)學(xué)術(shù)會(huì)議的學(xué)術(shù)委員。

出版《動(dòng)物行為仿生學(xué)》、《壁虎的運(yùn)動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)仿生》、《摩擦體系熱力學(xué)引論》等專著 4 本。發(fā)表期刊論文 260 多篇，所帶領(lǐng)的研究所所有教師均主持國(guó)家自然科學(xué)基金?，F(xiàn)主要從事運(yùn)動(dòng)仿生（仿生與生物機(jī)器人），輕質(zhì)多功能仿生結(jié)構(gòu)與材料、摩擦體系熱力學(xué)與表面技術(shù)的研究。

以下為雷鋒網(wǎng) AI 科技評(píng)論對(duì)戴振東教授的專訪：

1. 仿生學(xué)集合了生命科學(xué)、腦科學(xué)、工程學(xué)、數(shù)學(xué)等多門學(xué)科，你會(huì)用怎樣的關(guān)鍵詞來定義這一門學(xué)科，它與其它學(xué)科的交叉性和關(guān)聯(lián)性主要集中在哪些層面？

仿生學(xué)是一個(gè)橫斷和前沿領(lǐng)域，涉及學(xué)科眾多，要準(zhǔn)確地給出關(guān)鍵詞并不容易。我想用「跨學(xué)科交叉融合」、「啟發(fā)原創(chuàng)」、「前沿探索」、「工程應(yīng)用」來表述。

仿生學(xué)與其它學(xué)科的交叉和關(guān)聯(lián)體現(xiàn)在多個(gè)方面。核心有兩點(diǎn)：

• 一方面，通過研究生物的機(jī)制和規(guī)律，啟發(fā)工程設(shè)計(jì)和技術(shù)發(fā)明；

• 另一方面，其它學(xué)科提出的問題和提供的研究手段為生命科學(xué)的發(fā)展?fàn)恳鲅芯磕繕?biāo)、提供新的手段。

以我本人熟悉的運(yùn)動(dòng)仿生為例，工程上對(duì)動(dòng)物機(jī)器人的需求引出了研究動(dòng)物腦運(yùn)動(dòng)核團(tuán)、核團(tuán)間聯(lián)系及其神經(jīng)信息交互作用機(jī)制這樣一個(gè)在腦科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域關(guān)注度不多的問題。另一方面，微電極陣列的制造、植入需要機(jī)械工程和生物力學(xué)的介入，神經(jīng)信息的采集、傳輸、處理和分析，需要微電子技術(shù)、無線信息傳輸技術(shù)、數(shù)學(xué)等學(xué)科的融合。

以運(yùn)動(dòng)力學(xué)及仿壁虎機(jī)器人控制策略研究為例，此前人們并沒有認(rèn)識(shí)到壁虎運(yùn)動(dòng)反力模式的重力角度相關(guān)性，實(shí)驗(yàn)表明大壁虎的運(yùn)動(dòng)反力模式分為三種，和重力角度有很大關(guān)聯(lián)，這為爬壁機(jī)器人控制提供了直接的啟發(fā)。在此過程中，機(jī)械工程和測(cè)試技術(shù)是研制力傳感器和運(yùn)動(dòng)反力測(cè)試系統(tǒng)的支撐，計(jì)算機(jī)和信息處理為后續(xù)分析奠定了基礎(chǔ)，而研究得到的結(jié)果既豐富了生物學(xué)的內(nèi)涵，也啟發(fā)了仿壁虎機(jī)器人的控制設(shè)計(jì)。

總結(jié)起來，仿生學(xué)是橋梁，可以溝通和關(guān)聯(lián)不同的學(xué)科，獲得雙贏的結(jié)果；仿生學(xué)是播種機(jī)，是原始創(chuàng)新的源泉和種子。

2. 國(guó)內(nèi)在仿生學(xué)方面有哪些比較領(lǐng)先的研究？與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)的仿生學(xué)研究側(cè)重點(diǎn)有何異同？

中國(guó)仿生學(xué)的研究歷史淵源深厚，「道法自然」是中國(guó)哲學(xué)的核心內(nèi)涵之一，「木牛流馬」、漁船搖擼、魯班發(fā)明木鋸的故事等均體現(xiàn)了中國(guó)古代的仿生學(xué)創(chuàng)造。

中國(guó)當(dāng)代的仿生學(xué)研究，始于 50 年代，中科院生物物理研究所做了大量開拓性的探索，可惜在文革中中斷。上世紀(jì) 90 年代陳秉聰和任露泉院士在仿生抗黏附方面做了開創(chuàng)性的工作，并實(shí)現(xiàn)了技術(shù)成果的轉(zhuǎn)移和商業(yè)化應(yīng)用。

中科院、北航的江雷院士在表面疏水—親水、疏油—親油研究領(lǐng)域具有國(guó)際一流水平，形成了具有中國(guó)特色的理論體系和指導(dǎo)原則，技術(shù)成果也得到很好的應(yīng)用。

進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，國(guó)內(nèi)仿生學(xué)研究團(tuán)隊(duì)增長(zhǎng)飛快，研究水平也有很大提高。

和國(guó)外研究相比，中國(guó)仿生學(xué)研究的主要力量在工程領(lǐng)域，帶著工程的需求和問題。如果根據(jù)生物學(xué)研究的文獻(xiàn)開展應(yīng)用研究，優(yōu)點(diǎn)是可以很快解決工程問題，不足是對(duì)生物的作用機(jī)制理解不夠深，往往有為仿生而仿生的嫌疑。

最近幾年，陸續(xù)有生命學(xué)科研究領(lǐng)域的學(xué)者關(guān)注仿生學(xué)研究，如成都生物所唐業(yè)忠教授等，中科院動(dòng)物所也有學(xué)者積極介入相關(guān)研究。

國(guó)外的研究團(tuán)隊(duì)中有不少生物學(xué)家，典型的代表是德國(guó)，例如「荷葉效應(yīng)」中，生物學(xué)家起到很好的推動(dòng)作用。在美國(guó)，軍方對(duì)此類研究的推動(dòng)很大，如仿壁虎黏附機(jī)制和黏附材料的研究。動(dòng)物運(yùn)動(dòng)控制的研究具有很強(qiáng)的軍事背景。

3. 你的研究包括運(yùn)動(dòng)仿生，這里涉及揭示動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)、感知控制和行為規(guī)律，在這一過程中，關(guān)鍵性的技術(shù)有哪些？

動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)仿生是系統(tǒng)技術(shù)，從最終形成產(chǎn)品的角度看，很多環(huán)節(jié)都非常重要。從機(jī)構(gòu)看，仿生黏附運(yùn)動(dòng)需要匍匐運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，而不是常見的直立運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。如何保證仿壁虎機(jī)器人腳和所在運(yùn)動(dòng)面形成有效鎖合（產(chǎn)生粘附力），機(jī)器人如何感知黏附接觸的狀態(tài)，感知自身的重力角，并通過學(xué)習(xí)掌握對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)模式等，這都是仿壁虎機(jī)器人能夠成功的核心因素。

4. 你對(duì)哪些生物進(jìn)行過研究？你是根據(jù)哪些因素來挑選研究對(duì)象的？對(duì)生物進(jìn)行研究的手段有哪些？

建立南航仿生所以來，我們有如下研究：壁虎、鴿子的運(yùn)動(dòng)控制，壁虎、樹蛙、多種昆蟲的黏附接觸運(yùn)動(dòng)力學(xué)，十多種昆蟲鞘翅的展開和閉合規(guī)律，昆蟲鞘翅的結(jié)構(gòu)，泡沫金屬的制備和性能，幾十種樹葉的微結(jié)構(gòu)和疏水性關(guān)系等。

研究動(dòng)物的選擇是從實(shí)際工業(yè)需求出發(fā)：

針對(duì)反恐對(duì)爬壁機(jī)器人的需求，我們選擇大壁虎開展研究和仿生，因?yàn)楸诨⒃诟鞣N表面上都能夠快速運(yùn)動(dòng)，是最合適的選擇；

針對(duì)復(fù)雜空間內(nèi)飛行偵查等需求，結(jié)合衛(wèi)星飛行器續(xù)航時(shí)間短的問題，我們對(duì)鴿子的運(yùn)動(dòng)控制問題進(jìn)行研究，因?yàn)轼澴舆m合家養(yǎng)，也是典型的飛行動(dòng)物；

針對(duì)航空航天對(duì)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的需求，我們研究鞘翅、骨骼等生物的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和材料特征；

根據(jù)工程上對(duì)超大表面的需求，我們對(duì)泡沫金屬的多功能應(yīng)用展開研究。

對(duì)生物對(duì)象的研究方法根據(jù)研究需求不同而有所變化。在運(yùn)動(dòng)仿生方面，我們將傳統(tǒng)的行為學(xué)研究方法與力學(xué)測(cè)量方法、電荷測(cè)量方法、實(shí)際接觸面積測(cè)量方法相結(jié)合，建立了系統(tǒng)的研究方法，研制出對(duì)應(yīng)設(shè)備；在神經(jīng)控制方面，我們建立了新的模式動(dòng)物的腦立體定位方法，研制了腦立體定位儀。我們研究了大壁虎的腦圖譜，探索了大壁虎和鴿子運(yùn)動(dòng)的空間編碼區(qū)，采用切片、染色等方法確定壁虎和鴿子的運(yùn)動(dòng)行為與腦區(qū)的關(guān)系。此外，我們用 SEM 和切片方法，研究鞘翅等生物組織的結(jié)構(gòu)形態(tài)，用納米壓痕儀研究生物材料的力學(xué)性能。

5. 你 2002 年發(fā)表的論文 Roughness-dependent friction force of the tarsal claw system in the beetle Pachnoda marginata (Coleoptera, Scarabaeidae) 被引用次數(shù)達(dá)到兩百多次，這篇論文中，你們對(duì)甲蟲跗節(jié)進(jìn)行了哪些方面的研究？得出了什么結(jié)論？

我們發(fā)現(xiàn)昆蟲腳爪在粗糙面上的附著可靠性取決于腳爪末端指尖半徑 r 和粗糙峰的當(dāng)量球半徑 R 的比，R / r >>1，難于形成機(jī)械鎖合。該研究提出了腳爪附著動(dòng)物的附著能力與腳爪末端結(jié)構(gòu)的關(guān)系，對(duì)抓型機(jī)器人的設(shè)計(jì)有指導(dǎo)作用。

6. 今年三月你帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)發(fā)表論文 A Bio-inspired Climbing Robot with Flexible Pads and Claws，這一攀爬機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了哪些突破？

仿壁虎機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用面臨很多科學(xué)問題，包括工程化方面的問題，也需要很多關(guān)鍵技術(shù)。我們團(tuán)隊(duì)在機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)、黏附材料制備及應(yīng)用、機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃及動(dòng)力學(xué)仿生等方面取得了系統(tǒng)和全面的進(jìn)展，在核心技術(shù)上也有所突破，為實(shí)際應(yīng)用奠定了很好的基礎(chǔ)，但依然需要進(jìn)一步滿足工程化需求。

7. 你在壁虎仿生上進(jìn)行過諸多研究，對(duì)壁虎運(yùn)動(dòng)仿生的研究是從什么時(shí)候開始的？對(duì)壁虎進(jìn)行了哪些研究？

我們團(tuán)隊(duì)對(duì)壁虎運(yùn)動(dòng)仿生的研究始于 2002 年，當(dāng)時(shí)，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室建立壁虎飼養(yǎng)基地，保證實(shí)驗(yàn)對(duì)象的可獲得性。我們研制了用于壁虎等動(dòng)物運(yùn)動(dòng)力學(xué)測(cè)試的力傳感器，發(fā)明了多種新的實(shí)驗(yàn)研究方法和設(shè)備，測(cè)定了大壁虎等動(dòng)物從地面到天花板全空間的運(yùn)動(dòng)反力，發(fā)現(xiàn)并構(gòu)建了運(yùn)動(dòng)反力模式，為機(jī)器人的控制提供了主要啟示。

我們研制了基于碳納米管陣列和高分子的仿壁虎黏附材料，初步實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)的可控，還根據(jù)國(guó)家需求，發(fā)展了多種仿壁虎機(jī)器人。從科學(xué)發(fā)現(xiàn)，到技術(shù)攻關(guān)，再到產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)，我們實(shí)現(xiàn)了研究的全過程創(chuàng)新。

8. 壁虎運(yùn)動(dòng)仿生的發(fā)展歷程如何？目前在工程上主要有哪些應(yīng)用？

人們對(duì)壁虎運(yùn)動(dòng)的興趣可以追溯到兩千多年前。2000 年以前，普遍的觀點(diǎn)是壁虎靠吸盤黏附在墻上，2000 年，F(xiàn)ull 團(tuán)隊(duì)認(rèn)為壁虎的黏附是靠范德華力，隨后不少團(tuán)隊(duì)對(duì)各種不同的仿生黏附材料進(jìn)行研究和研制，如代頓大學(xué)的 Dai LM、德國(guó)的 Sitti、韓國(guó) Kaist 的團(tuán)隊(duì)。在國(guó)內(nèi)，我們與美國(guó) Rice 大學(xué)、芬蘭 Oulu 大學(xué)、中科院蘇州納米所等單位合作研制了碳納米管陣列，還與航天部門合作，研究仿生黏附技術(shù)在航天上的應(yīng)用。

目前，在仿壁虎黏附技術(shù)研究系統(tǒng)上，國(guó)外進(jìn)展較快的是美國(guó)，代表團(tuán)隊(duì)是斯坦福團(tuán)隊(duì)和伯克利 Full 團(tuán)隊(duì)，他們已經(jīng)完成了黏附材料在失重飛機(jī)上的實(shí)驗(yàn)和在軌初步實(shí)驗(yàn)。國(guó)內(nèi)的南航團(tuán)隊(duì)做了懸浮目標(biāo)的黏附捕獲，取得了很好的結(jié)果。仿壁虎機(jī)器人的應(yīng)用也正在根據(jù)工程需求積極推進(jìn)中。

9. 如何將對(duì)壁虎的研究轉(zhuǎn)化到工程應(yīng)用上？想要將對(duì)生物的研究轉(zhuǎn)化到工程上，這里的難點(diǎn)有哪些？

將壁虎的研究轉(zhuǎn)化到工程上，最大的問題是需要系統(tǒng)的、工程化的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。高校和研究所往往極具創(chuàng)新，但缺乏工程化的能力、經(jīng)驗(yàn)和韌性，企業(yè)則缺乏創(chuàng)新的環(huán)境和積累。

仿生學(xué)研究的難點(diǎn)在于從研究生物到理解生物、再到工程實(shí)現(xiàn)，周期太長(zhǎng)，很多人堅(jiān)持不了。此外，缺乏跨學(xué)科學(xué)習(xí)和合作的通道，科學(xué)研究和工程實(shí)踐之間也缺乏對(duì)話能力。

10. 仿生學(xué)在未來的發(fā)展前景如何？目前這一學(xué)科的發(fā)展主要面臨著哪些挑戰(zhàn)？

學(xué)科交叉融合是當(dāng)前科技發(fā)展的一個(gè)主要特征，仿生學(xué)恰恰是生命科學(xué)與工程科學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)交叉融合的產(chǎn)物。我們正面臨原創(chuàng)技術(shù)不足的壓力，仿生學(xué)是啟發(fā)原創(chuàng)思想的源泉，一定會(huì)為國(guó)家的技術(shù)創(chuàng)新作出重大貢獻(xiàn)。

該學(xué)科面臨的主要挑戰(zhàn)是缺乏人才，現(xiàn)在極度缺乏橫跨生命科學(xué)和其它工程學(xué)科的人才，而且以目前的培養(yǎng)體系，不太支持這種交叉和融合，因?yàn)榻徊骐y度大，有影響力的高級(jí)專家也比較少。希望仿生學(xué)研究能夠得到進(jìn)一步的支持和理解。

11. GAIR 大會(huì)今年首次開設(shè)仿生機(jī)器人專場(chǎng)，在你看來這是否意味著學(xué)界和業(yè)界對(duì)仿生學(xué)的關(guān)注越來越多？

是的。實(shí)際上從 NSFC 的申報(bào)，就可以明顯看到仿生機(jī)器人已經(jīng)成為學(xué)者們關(guān)注的熱點(diǎn)。目前存在的問題是理解動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的生物學(xué)家不懂機(jī)器人控制，而做機(jī)器人控制及軟件編程的研究人員很少知道機(jī)器人是如何運(yùn)動(dòng)的。這兩個(gè)領(lǐng)域?qū)＜业膶?duì)話，需要調(diào)諧到同樣的頻率，他們應(yīng)能理解對(duì)方的語言。建議未來多組織一些跨界交流會(huì)，為雙方帶來更多思想碰撞的機(jī)會(huì)。

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