年輕一代正在用數(shù)字化技術(shù)將科幻未來變?yōu)楝F(xiàn)實

　　今年的北京冬奧會上，智能機器人成為了最受矚目的“工作人員”，承擔(dān)起物流輸送、交通引導(dǎo)、餐食制作等多種工作職能，為來自全球各地的參賽人員提供便利的生活服務(wù)，同時降低了比賽期間人員接觸的頻率。然而智能機器人的用途遠不止這些，在2021年神舟十二號飛船進入空間站后，智能機器人又化身成為大負載、大范圍轉(zhuǎn)移功能的機械臂，幫助航天員完成兩次出艙任務(wù)。被譽為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，智能機器人的制造和應(yīng)用正成為衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造水平的重要標(biāo)志。

　　我們正步入一個與智能科技和諧共處的新世界，人類與科技的關(guān)系也從利用、合作走向融合。在這其中，我們的年輕一代也正逐漸成長為智能技術(shù)研發(fā)的核心力量。他們研發(fā)出的具有開創(chuàng)性的科研成果，正在促進著人類智慧與人工智能的交互融合，幫助我們重新想象、設(shè)計和創(chuàng)造一個更美好的世界。

　　從科幻到現(xiàn)實，設(shè)計優(yōu)化讓機器人應(yīng)用場景不斷拓展

　　從1920年捷克科幻作家恰配克在《羅索姆的萬能機器人》中第一次提到“Robot”開始，機器人就已經(jīng)擁有了與人類密不可分的關(guān)系。作為模擬人類或其他生物行為的機械(如機器狗、機器貓等)的存在，發(fā)展至今的機器人已經(jīng)成為人類代勞的絕佳幫手，機器人研發(fā)、迭代也成為全球科研最熱門的論題之一。

　　智能機器人研發(fā)設(shè)計的第一步是原始模型的建立，也是最重要的一環(huán)，決定了機器人最終的實際功能。例如，在建立仿人機器人下肢原始模型時，首先需要參考人體下肢骨骼系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行走步態(tài);其次根據(jù)機器人的重量和平地行走步態(tài)，通過步態(tài)仿真獲得各零部件的主要受力情況。不斷的參考、仿真、模擬是機器人迭代優(yōu)化過程中的必經(jīng)之路。

　　浙江大學(xué)仿人機器人團隊在設(shè)計、模擬、驗證的全過程中，利用數(shù)字化技術(shù)設(shè)計和創(chuàng)造的智能機器人便是絕佳案例之一。團隊使用拓撲優(yōu)化方法(加載單種工況)和Autodesk產(chǎn)品支持的衍生式設(shè)計(可以加載多種工況)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，為了達成最貼合產(chǎn)品的極致設(shè)計方案，設(shè)計團隊使用Autodesk產(chǎn)品對衍生式設(shè)計模型進行晶格結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并根據(jù)晶格結(jié)構(gòu)的表皮、支柱截面、節(jié)點尺寸對模型強度的影響，從這三個方面對模型細節(jié)進行修改，在達到輕量化的同時，使模型達到強度和剛度要求，加強仿人機器人的運動能力和靈活性。之后對模型進行 3D 打印仿真，驗證模型的可制造性，設(shè)計小型疲勞試驗機來評估機器人下肢的疲勞壽命。最終，團隊制造的機器人下肢單腿質(zhì)量僅為6.46kg，重量減少了54.6%，且工作電流更小，對于雙足機器人的運動性能提高與減少能量消耗有著顯著效果。目前，相關(guān)的論文成果《基于點陣結(jié)構(gòu)的仿人機器人下肢輕量化研究》和《基于衍生式設(shè)計的雙足機器人下肢結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計及實驗研究》均獲得發(fā)表。

　　在研發(fā)和制造機器人的過程中，云臺的重要性不可小覷，而設(shè)計迭代、減重和強度要求是機械設(shè)計中主要面臨的3項挑戰(zhàn)。使用傳統(tǒng)制造方式會導(dǎo)致機器人云臺部件多、重量大、速度慢、強度不足。華南理工大學(xué)團隊另辟蹊徑，使用增材制造技術(shù)，這使得機器人復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計擁有了無與倫比的硬件自由度。而后通過Autodesk產(chǎn)品支持的衍生式設(shè)計技術(shù)，根據(jù)不同工況和極限條件，探索不同材料、加工方式的產(chǎn)品形態(tài)和性能，軟件快速的設(shè)計、反饋讓團隊減少了80%的迭代設(shè)計研發(fā)成本。最終，團隊創(chuàng)造出一個輕盈、快捷的機器人云臺，盡管將多達27個零部件組合為一體，但最終重量僅為170克，重量減輕了42%。團隊利用華曙FS271M金屬激光燒結(jié)技術(shù)制造的AlSi10Mg鋁合金機器人云臺以其優(yōu)異的機械強度、耐用性和表現(xiàn)，在面向世界大學(xué)生開展的全球首個射擊對抗類的機器人比賽——機甲大師賽中脫穎而出，獲得2019年區(qū)域錦標(biāo)賽的第一名。

　　智能工具正在發(fā)揮科技普惠的重要價值

　　早在1960年，美國動態(tài)模擬研究室科學(xué)家就提出賽博格(Cyborg)的概念，人類與高科技機械工具之間的結(jié)合成為科幻小說常見的未來想象。隨著人工智能發(fā)展，在2016年舉辦的巴西殘奧會上，德國運動員丹妮斯·辛德勒更是成為首個使用3D打印假肢參加自行車比賽的奧運選手。

　　聚焦國內(nèi)，鄭州輕工業(yè)大學(xué)在脊柱側(cè)彎患者外骨骼的生成設(shè)計與仿真項目中，進行了獨特的矯正支架設(shè)計。Autodesk工業(yè)級的三維建模軟件使團隊的模型設(shè)計具有極高的自由度，最終使矯正支架從整片狀簡化為鏤空根狀，外觀大大簡化，整體的機械外骨骼也變得更加輕便，且不受人體身高的限制，實現(xiàn)了輔助工具與人類身體的更好結(jié)合，幫助患者更好進行康復(fù)，成果論文《Elderly Health Services and Remote Health Monitoring》已在世界上最大的科技出版社springer上出版。

　　機械手臂似乎已成為科幻小說和超級英雄電影中常見的裝置。事實上，現(xiàn)實中的仿生義肢也可以為眾多殘疾人口帶來福音。根據(jù)抽樣數(shù)據(jù)統(tǒng)計，中國大約有2400萬肢體殘疾人口，但成本高、耗時長、手術(shù)并發(fā)癥高成為了關(guān)鍵難題。歐特克展翼計劃提出了解決方案，用3D打印技術(shù)為手部殘障兒童提供經(jīng)濟、簡易功能型義肢輔具。根據(jù)提交的肢殘照片和數(shù)據(jù)，設(shè)計師將在3D建模軟件上設(shè)計、修改模型，并利用 3D打印技術(shù)制作義肢，通過建模設(shè)計實現(xiàn)義肢的高度定制化，且制作簡單，外形美觀，并且通過手腕或肘部的彎曲傳動，實現(xiàn)其最基本的抓握能力，同時鍛煉其手部肌肉，為日后做手部矯形手術(shù)、使用高級仿生義肢提供幫助。該計劃已成為創(chuàng)業(yè)者、3D打印平臺、3D打印從業(yè)者、機械工程專業(yè)大學(xué)和學(xué)生、肢體整形外科醫(yī)生、肢體殘疾患兒家長的交流互助平臺，并聯(lián)合高校校園志愿者舉辦工作坊，在社交平臺科普3D打印知識，力圖將開源技術(shù)引入中國，完成機械及電動義肢的升級。目前展翼計劃每年寄出百余只機械手，面向手部殘疾兒童，提供安全、低成本、制作簡易、適配性高、具有實用性的義肢解決方案。

　　數(shù)字化技術(shù)將傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與先進科技銜接起來，逐步走向可視化模擬、數(shù)據(jù)化預(yù)測、智能化分析以及自動化操控，這是新一輪科技革命和社會變革的焦點，也預(yù)示著人類歷史上又一次新的革命已然到來。在這個新世界里，人和機器不可分割，相輔相成，由此所帶來的產(chǎn)業(yè)和社會面貌的改變正在發(fā)生。在這樣的變革浪潮中，年輕人將引領(lǐng)的技術(shù)創(chuàng)新，把科幻未來創(chuàng)造為現(xiàn)實。