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(shí)

　　今年的北京冬奧會(huì)上，智能機(jī)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(shí)降低了比賽期間人員接觸的頻率。然而智能機(jī)器人的用途遠(yuǎn)不止這些，在2021年神舟十二號(hào)飛船進(jìn)入空間站后，智能機(jī)器人又化身成為大負(fù)載、大范圍轉(zhuǎn)移功能的機(jī)械臂，幫助航天員完成兩次出艙任務(wù)。被譽(yù)為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，智能機(jī)器人的制造和應(yīng)用正成為衡量一個(gè)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(gè)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(jìn)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(jì)和創(chuàng)造一個(gè)更美好的世界。

　　從科幻到現(xiàn)實(shí)，設(shè)計(jì)優(yōu)化讓機(jī)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(jī)器人》中第一次提到“Robot”開始，機(jī)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(jī)械(如機(jī)器狗、機(jī)器貓等)的存在，發(fā)展至今的機(jī)器人已經(jīng)成為人類代勞的絕佳幫手，機(jī)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(jī)器人研發(fā)設(shè)計(jì)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(jī)器人最終的實(shí)際功能。例如，在建立仿人機(jī)器人下肢原始模型時(shí)，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(jī)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(jī)器人迭代優(yōu)化過程中的必經(jīng)之路。

　　浙江大學(xué)仿人機(jī)器人團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)、模擬、驗(yàn)證的全過程中，利用數(shù)字化技術(shù)設(shè)計(jì)和創(chuàng)造的智能機(jī)器人便是絕佳案例之一。團(tuán)隊(duì)使用拓?fù)鋬?yōu)化方法(加載單種工況)和Autodesk產(chǎn)品支持的衍生式設(shè)計(jì)(可以加載多種工況)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，為了達(dá)成最貼合產(chǎn)品的極致設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)使用Autodesk產(chǎn)品對(duì)衍生式設(shè)計(jì)模型進(jìn)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(diǎn)尺寸對(duì)模型強(qiáng)度的影響，從這三個(gè)方面對(duì)模型細(xì)節(jié)進(jìn)行修改，在達(dá)到輕量化的同時(shí)，使模型達(dá)到強(qiáng)度和剛度要求，加強(qiáng)仿人機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力和靈活性。之后對(duì)模型進(jìn)行 3D 打印仿真，驗(yàn)證模型的可制造性，設(shè)計(jì)小型疲勞試驗(yàn)機(jī)來評(píng)估機(jī)器人下肢的疲勞壽命。最終，團(tuán)隊(duì)制造的機(jī)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(duì)于雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的仿人機(jī)器人下肢輕量化研究》和《基于衍生式設(shè)計(jì)的雙足機(jī)器人下肢結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究》均獲得發(fā)表。

　　在研發(fā)和制造機(jī)器人的過程中，云臺(tái)的重要性不可小覷，而設(shè)計(jì)迭代、減重和強(qiáng)度要求是機(jī)械設(shè)計(jì)中主要面臨的3項(xiàng)挑戰(zhàn)。使用傳統(tǒng)制造方式會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人云臺(tái)部件多、重量大、速度慢、強(qiáng)度不足。華南理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，使用增材制造技術(shù)，這使得機(jī)器人復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)、反饋?zhàn)寛F(tuán)隊(duì)減少了80%的迭代設(shè)計(jì)研發(fā)成本。最終，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造出一個(gè)輕盈、快捷的機(jī)器人云臺(tái)，盡管將多達(dá)27個(gè)零部件組合為一體，但最終重量僅為170克，重量減輕了42%。團(tuán)隊(duì)利用華曙FS271M金屬激光燒結(jié)技術(shù)制造的AlSi10Mg鋁合金機(jī)器人云臺(tái)以其優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、耐用性和表現(xiàn)，在面向世界大學(xué)生開展的全球首個(gè)射擊對(duì)抗類的機(jī)器人比賽——機(jī)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(jià)值

　　早在1960年，美國動(dòng)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(jī)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(huì)上，德國運(yùn)動(dòng)員丹妮斯·辛德勒更是成為首個(gè)使用3D打印假肢參加自行車比賽的奧運(yùn)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(jì)與仿真項(xiàng)目中，進(jìn)行了獨(dú)特的矯正支架設(shè)計(jì)。Autodesk工業(yè)級(jí)的三維建模軟件使團(tuán)隊(duì)的模型設(shè)計(jì)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(jī)械外骨骼也變得更加輕便，且不受人體身高的限制，實(shí)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(jìn)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(jī)械手臂似乎已成為科幻小說和超級(jí)英雄電影中常見的裝置。事實(shí)上，現(xiàn)實(shí)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(jì)，中國大約有2400萬肢體殘疾人口，但成本高、耗時(shí)長、手術(shù)并發(fā)癥高成為了關(guān)鍵難題。歐特克展翼計(jì)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(jì)、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(jì)師將在3D建模軟件上設(shè)計(jì)、修改模型，并利用 3D打印技術(shù)制作義肢，通過建模設(shè)計(jì)實(shí)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(dòng)，實(shí)現(xiàn)其最基本的抓握能力，同時(shí)鍛煉其手部肌肉，為日后做手部矯形手術(shù)、使用高級(jí)仿生義肢提供幫助。該計(jì)劃已成為創(chuàng)業(yè)者、3D打印平臺(tái)、3D打印從業(yè)者、機(jī)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(tái)，并聯(lián)合高校校園志愿者舉辦工作坊，在社交平臺(tái)科普3D打印知識(shí)，力圖將開源技術(shù)引入中國，完成機(jī)械及電動(dòng)義肢的升級(jí)。目前展翼計(jì)劃每年寄出百余只機(jī)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(shí)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(jìn)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(dòng)化操控，這是新一輪科技革命和社會(huì)變革的焦點(diǎn)，也預(yù)示著人類歷史上又一次新的革命已然到來。在這個(gè)新世界里，人和機(jī)器不可分割，相輔相成，由此所帶來的產(chǎn)業(yè)和社會(huì)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(shí)。