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与“变形金刚”快乐共舞

——访空间机器人专家、长江学者特聘教授丁希仑校友

商艳凯

  他是中国首屈一指的空间机器人专家,早在1999年,32岁的他就带领团队首创国内第一台球形机器人样机并获得国家发明专利。此后短短几年间,他又先后设计研制了面向空间舱内作业的冗余度双臂机器人系统、新型轮腿式变结构机器人、圆周对称六足轮腿式星球探测机器人、多旋翼双臂(腿)空中操作机器人等一系列具有世界先进水平的机器人产品。他就是教育部长江学者特聘教授、目前在北京航空航天大学机器人研究所工作的丁希仑校友。
  金秋十月,丁希仑应邀参加在哈尔滨举行的以“未来机器人:展望与科学挑战”为主题的双清论坛,与来自美国、加拿大、德国、日本等国家的机器人领域的知名专家、学者展开研讨。会议间歇,他欣然接受了我的专访。
  1967年,丁希仑出生在胶东半岛莱西县一个普通的农村家庭。五花八门的小人书陪伴他度过了快乐的童年。在小人书里,他知道了爱迪生发明电灯的故事,也在幼小的心灵深处悄悄种下了科学的种子——他立志像爱迪生一样当一名科学家。
  20世纪80年代,在改革开放春风吹拂下,自然科学发展呈现出欣欣向荣的景象。在国家“实现工业现代化”的号召下,高中数理化成绩出众的丁希仑毅然选择报考机械这门基础工科。后来他又怀着好奇心选择到哈工大攻读机器人方向的博士,师从著名机器人专家蔡鹤皋院士和王树国教授。在他眼中,自己的两位导师始终站在学术前沿开展研究,是名副其实的战略科学家,也正是在哈工大几年的学习时光,确立了他一生为之追求的空间机器人研究方向。此后,他又到北京航空航天大学机器人研究所从事博士后研究,师从我国著名空间机构学专家张启先院士。采访中,他多次强调“自己在机器人领域的学术发展得益于导师们的培养和指导”,让人对他的谦卑、感恩之心肃然起敬。
  “做区别于他人的原创性研究”是丁希仑一直以来坚持的科研理念,用他自己的话说就是要“抬起头来做学问”,就是做科学研究要有宽阔的视野, 能够准确把握学科发展的前沿动态。从1998年首创国内第一台球形机器人样机起,他始终以这样一个标准来要求自己和团队的研究——
  2000年起,他带领团队搭建面向空间舱内作业的拟人双臂/灵巧手机器人系统平台,开发了基于PC机的冗余度双臂系统协调操作的三维图形仿真环境,提出了“单机-单操作者-多人机交互设备-多机器人”的新型机器人遥操作系统体系结构;
  2004年,他和团队提出了柔性变胞的思想,创新性地设计了一种新型的轮腿式变结构机器人,该机器人具有轮和腿复合式行走机构,身体可以变宽变窄,是一种适用复杂的地貌环境探测的机器人;
  2006年,他与意大利米兰理工大学的空间机器人专家阿尔伯特·罗威塔教授合作提出并研制了一种轮腿式六足星球探测机器人,该机器人具有轮腿复合的行走机构和半球形外壳的本体,可满足复杂的星球表面环境探测需要;
  2004年至2010年,他又提出并研制了一种四旋翼双臂多功能飞行机器人。该机器人在实现旋翼飞行的同时,能够借助于本体上配置的双臂(双腿)实现空中操作或壁面行走等作业功能。
  在丁希仑涉足的很多领域,他所研制的空间机器人都是世界领先水平的。他最有名的作品应该是“电子昆虫E-beetle”,这个长了6条腿和半球壳形本体的机器人能在复杂的地貌环境下行走,腿也可作为臂使用实现操作作业,变形之后用轮子滚动,十分有趣。他将自己的机器人产品称为“变形金刚”。他最大的梦想就是有一天自己研制的机器人能够代表中国去登月或者火星探测。“目标有小有大。小目标是发明创造高性能的新型空间机器人原型样机,引领学科的发展。大目标是看见中国的空间探测机器人上天,其中有我的一份贡献。”丁希仑说。
丁希仑心中的梦想正在一步一步地变成现实。从2002年起,他带领团队开展了轮腿复合式星球探测机器人的研究。2005 年,作为课题负责人,他研制成功了飞船轨道舱侧舱门真空热环境下开闭操作机构实验装置,参与完成了一系列神舟飞船相关试验任务。2006年,他与意大利米兰理工大学联合设计的新型腿轮式六足变结构星球探测机器人样机在第八届国际月球探测与利用大会上展示,赢得国内外专家的一致赞誉。此后,他和团队对星球探测机器人样机又进行了多次改进设计,使得新型机器人样机功能更为强大,除了具有灵活多变的步态外,还具有翻倒自恢复能力和腿臂融合操作的能力。与此同时,他还带领团队研究多机器人团队协作——这一新型的星球探测模式。该模式通过群体行为的协调优化控制,能够高效探测未知环境,完成单个机器人无法完成的复杂任务。另外,系统具有容错性,机器人之间可以相互协助和维修,即使其中的某个机器人发生故障,也不会影响整个探测任务的完成,提高了探测作业的安全性和可靠性。

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丁希仑校友(资料片)

  从小学、中学,到大学,再到硕士博士,一直到博士后和教师,丁希仑从来没有离开过校园。看似简单的人生轨迹,他却在科学研究这条道路上不断前行,取得了不凡的成绩——2002年入选北京市“科技新星计划”,2007年获第十届茅以升北京青年科技奖,2008年入选教育部新世纪优秀人才支持计划,2011年获得国家杰出青年科学基金,2014年受聘教育部长江学者特聘教授。他作为负责人承担国家基金9项、国家“863” 项目4项、国家“973”课题1项以及中国与意大利政府重大国际合作研究计划项目、英国教育部支持的中英创新基金ICUK项目、国家“921”载人航天工程子项目、探月工程子项目等20余项,以第一发明人获得授权国家专利30余项(发明专利20余项)。
  在丁希仑看来,做好学问的前提是认真踏实, 需要有一个长期积累的过程。因此,他认为自己能够取得今天的成就,最大的法宝就是执着和坚持。从15年前开始,他没有停止在“变胞机构”方面的基础理论和应用研究。主攻机器人机构学一个方向,脚踏实地工作,不断承担新项目、出新成果,让他保持了该领域的优势。丁希仑身上的这种特质和哈工大的校风、学风十分一致。“哈工大人在科学研究上给人的印象是,功底很扎实,讲究实干,这些都让我终生受益。”丁希仑说。毕业多年,他始终保持着和母校的联系,还在一些研究项目中与母校的专家、学者开展了深入的合作。