““中国机器人的摇篮”沈阳自动化所取得累累硕果”

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蛟龙号7000米级的海试

一个身体能到达的最远的地方是哪里？

刘开周的回答是在7062米以下的大洋深处，作为世界上最深、最难征服的马里亚纳海沟而闻名。

带他的是中国自行设计、自主整合开发的载人潜水器“蛟龙”，完成了世界首艘7000米深度近海底的自动定向、定深、定高、定速、悬停定位等5种全自动航行控制功能。

这一成果震撼了国际水下机器人行业。

事实上，不仅是水下机器人，过去几十年，中科院沈阳自动化研究所(简称“沈阳自动化所”)创造了中国机器人事业快速发展史上的20多个“第一”。 由此诞生的机器人可以9天“登月”、下可五洋“探宝”，还可以在高山山谷和悬崖峭壁之间攀登。 他们“替代”地帮助人们踏入环境险恶的地方，帮助人们完成未完的梦想。

沈阳自动化所被誉为“中国机器人的摇篮”。

1、“蛟龙”号的“大脑”

刘开周，沈阳自动化所研究员是“蛟龙”号载人潜水器控制系统的开发者之一和潜水员，被中共中央、国务院授予“深潜英雄”称号。

博士期间，刘开周师从中国工程院院士封锡盛，从事机器人半物理仿真平台和水下机器人控制系统的研究与开发。 刘开周表示，控制系统相当于载人潜水器的“大脑”，半物理仿真平台是实时仿真系统，本身相当于虚拟载人潜水器系统。

刘开周

“我们的责任是保障潜水艇的安全可靠的运行，尽量减少飞行员远程航行寻找目标的劳动强度。 ”。 刘开周说。

他们开发的控制系统软件可以在半物理仿真平台上进行调试和验证，验证后可以直接下载到实际的载人潜水器控制系统中，大大降低了载人潜水器的运行价格和相应的风险。 此外，还能对飞行员进行全真训练，大大提高了飞行员的操作水平和熟练度。

刘开周说，通常情况下，相对于水中最大10多吨重的水下机器人，“蛟龙”号在水中可以达到40吨以上的重量，“控制系统容易受到海水密度、水下压缩、机器人操作等水流的影响，影响航行的稳定和潜水艇的安全。

为了克服蛟龙号参数的时变、闭环系统各个环节的不确定性问题，刘开周借鉴专家的控制经验，研究了基于模糊原理的控制参数在线自动调整的控制策略和基于数论的数据解决方法，提出了蛟龙号在复杂海洋环境下的高精度导航

它们使“蛟龙”号在7000米以上的深渊“听从人的指挥”，从而完成了任务。

蛟龙号首次突破7000米深度的3名下潜者离开了飞船

(刘开周、叶聪、杨波)

接手蛟龙号的时候，刘开周刚博士是一年级学生。 他一开始还有点胆小，坦白“接不了”。 项目开始时，整个团队竭尽全力，面向系统的各个细节很强。 他们每天都问:“可能会发生什么？ 可能会发生什么？ ”。

海试“10小时”的背后，是水试、湖试的“几年功”。 刘开周说，池塘实验也非常重要。 博士期间，他们下潜过60次以上，80%的设计师下潜过，确认没有问题后才能入海。 “实验室制作的模拟算法与实际在水中的情况基本不同，也许可以模拟一部分，但修正的任务最困难”

多年来，刘开周参加了1000米、3000米、5000米至7000米的所有里程碑，并一步步作证。

他认为使命感驱使着自己，推动着自己前进。 “国家需要的时候，你在哪里？ 你在干什么？ 做准备的人，在国家真的需要你的时候，不会出冷汗。 ”。

2、大海中的“幽灵”

2019年4月1日，中国南海被沈阳自动化所完全自主开发、拥有自主知识产权的“海翼”号水下滑翔机顺利回收。 它没有辜负人们的期望，再次创造了新的记录:连续工作长达211天，续航观测距离在3400公里以上。

接到这个消息时，在3000多公里外的沈阳，沈阳自动化所研究员、海洋机器人卓越创新中心主任俞建立了自豪和兴奋。

近年来，“海翼”号赫赫有名，在马里亚纳海沟创下6329米水下滑翔世界深潜记录，实现了国内最大规模的水下滑翔集体组织网观测，首次部署在白令海布，也首次应用于中国北极科学试验……
。

作为“海翼”号水下滑翔机的设计师，俞非常清晰，16年来“海翼”号取得华丽成绩的背景是团队成员日光浴ti的奋斗、日雕月琢的坚守。

用“蛟龙”号拍的冷泉区蜘蛛蟹

西南印度洋——热水

2003年，俞刚进入沈阳自动化所获得博士学位。 在一次周六的例行讨论会上，导师张艾群(时沈阳自动化所水下机器人研究中心主任)向他推荐了国外水下滑翔机的最新研究成果。 浏览后，俞建对这个新事物产生了浓厚的趣味性。 那个时候明确了博士课题的方向性的他，只是把水中滑翔当成了“业余爱好”。 “当时还是个小方向，当时国内一直关注着auv等以前就很典型的大型海洋装备式水下机器人，但我没想到水下滑翔机能做什么，也没想到会像今天这样“热”。

16年前，沈阳自动化所率先组成团队，在这个行业进行布局和探索。 俞建设申请了研究所的“知识创新项目蒋新松创新基金”，得到了12万元的经费支持，他带着师生们开始了水下滑翔。

2005年，他们在国内率先开发了“海翼”号水下滑翔原理样机，成功在湖里“移动”，处理了滑翔运动和驱动机理、模块结构、低阻力外形优化等一系列关键技术，这从有到无。

“蛟龙”号在我国南海海底插着国旗

事实上，当时国际上，水下滑翔机由于能源利用效率高、噪声低，具有可以开展大范围、长期连续海洋环境观测的特点，已成为国际研究和竞争的热点。

2006年，水下滑翔机被列入国家高新技术研究快速发展计划( 863计划)项目申报指南。 此时，刚刚博士毕业的俞在导师的鼓励下申请了某个项目，并成功入选。 “我很幸运。 感谢我的指导者。 项目竞争激烈，竞争对手是研究者水平。 我是刚毕业的博士生，导师极力独立申请。 ”。

俞建

就这样，俞和研究室的两个员工正式组成了团队。 2009年，他们制造了国内第一个海上实验和成功的水下滑翔器的原型。 虽然指标不高，深1200米，航程500米，但“第一”的荣誉却是无价的。

“当时的海上条件相当艰苦”，俞建对第一次海试的经历记忆犹新。 2009年夏天，10人共同前往三亚，为了节约经费，在三亚租了一艘小渔船。 队伍经历的第一次尝试是晕船，在海上颠簸了一晚上，还没到海洋考试的地方，有人就晕得不能下床了。

“因为船很小，所以大家只能挤在甲板上睡觉。 十多天来了，晒得像渔夫一样。 我们还在海里养鸡鸭子作为食物来源。 ”。 回过头来看，俞建设眼中，不仅痛苦，而且越来越多的东西都是难得的经历，大家相互支持、克服困难、执行任务的幸福，“现在我们的条件好多了”。

2009年，他们开发了第一代“海翼”水下滑翔工程的原型，并成功地在千岛湖完成了湖泊实验。 最大潜水深度为1200米。

团队目标明确，大幅提高水下滑翔机在海上的作业时间和航行距离，实现长时间在海上的停留，完成一点工作。 经过16年的艰苦探索，“海翼”号水下滑翔机的足迹遍布东海、南海、太平洋、印度洋、白令海峡。 年，两辆“海翼”号7000米级水下滑翔机完成了长达1448公里的马里亚纳海沟深渊测线观测。 最大下潜深度达到7076米，是目前世界上下潜深度超过7000米次数最多的滑翔机，是世界上唯一能长期稳定从事的深渊级滑翔机，顺利完成了海沟温度、盐度、水体特征等探测工作。

“蛟龙”号室内控制系统

“虽然目前水下滑翔技术已经成熟，但对续航距离的要求是无限的，长期目标在一年以上，对海洋科学的影响是非凡的。 那个时候，我也许可以退休。 ”俞建筑是期待着愿景实现的日子。

“我们现在还在水中待那么久，想着能做什么，能做什么。 ”。 俞建成说，他们正在与海洋科学家合作，处理海洋预报、海洋观测等难题。 推进数据共享，扩大越来越多的应用场景，最大限度地发挥水下滑翔机的应用价值。

3、机器人中的“特种兵”

电力巡逻一直被称为高危领域、特殊工作。

我们在电视信息中看到，无论烈日炎凉，戴着头盔，背着几十公斤重的检修设备的电力巡逻工人经常越过高山，穿越山谷丛林，每天检查十几公里，受损的铁塔、防护线路设施，电线周围的

“电力巡逻工人很辛苦，南方有南方之苦，北方有北方之难。 但是电网作为国民经济的命脉，这个事业必须做。 ”。 沈阳自动化所的技术装备与智能机器人研究室的王洪光副主任此时表示“很痛心”。

2001年，锦州超高压局向沈阳自动化研究所提出希望共同开发电力巡检机器人的诉求，王洪光开始接触这个行业。 但是，一开始并不怎么被期待，在寻求支持时也吃了很多“闭门羹”。

电力专家质疑说:“你们不擅长电力环境的多样性、复杂性、任务的难度、要求的严格性，你们做不到。” 同行的专家也建议他们“不要，这个项目这么难，钱一定是打水漂了。”

可能“无知者无畏”，但王洪光依靠现有的技术积累，考虑比较诉求做一点改造设计，应该不太容易，他和团队承担了电力巡逻机器人的项目。 但是随着了解的深入，他发现事件并不像想象中那么简单。 但是，既然做了，就必须多次坚持，王洪光和团队花了三年时间取得了质疑者的同意和信任，花了近20年做了产品。

回顾过去，“最难克服的是如何让电动机器人在强电磁场环境下工作”，王洪光记忆犹新。 他举个例子，从低电位到500千伏的瞬间，如果电磁兼容性不好，机器人很快就会电获取“五马分尸”，机器人的电磁兼容性防护需要特殊的技术手段，至今仍是难点。

但是，幸运的是，至今为止，经过王洪光手的机器人在巡逻现场没有一个“死亡”。 “我不敢让它‘死’啊，”王洪光直言，一台机器人少则几十万元，多则百万元，“赔不起”。 更重要的是，机器人“死亡”可能会导致电路损伤和人员受伤，这是绝对不可能发生的。 "一旦有危险，任何状态下都不能进行实验. "

虽然机器整体的机器人并不是“死”，但是单元模块测试实验时的“痛苦”也不少。 受强电磁场环境的影响，“空中”的机器人和地面基站之间的通信有可能中断，负责通信系统的是机器人搭载控制器。 “这相当于‘生命线’。 通信中断了，就像断了线的风筝一样，向机器人发出命令，它不走，这个时候真的没办法，只能着急。 ”王洪光承认，他们几年前就在处理这个问题，“那个时期是我们最痛苦的阶段”。

王洪光

目前，王洪光团队研制的电力巡检机器人已经从简单的巡检中具备了巡检工作功能。 他们开发的aape系列电力检测与维护机器人已经应用于电网输电、变电及配电设施的运行检测与维护等事业。 电力巡逻机器人从东北原始森林前往西南盆地、喀斯特地形，从现在开始是南方山地丘陵“大展拳足”。

“值得自豪的是，我国电力机器人的研究位居国际一流行列，在一些技术产品及其性能指标方面居国际领先地位。 ”近20年来的成果逐渐开始在世界上占有一席之地，王洪光也越来越自信，但深感未来仍面临着许多挑战。

“沈阳自动化所作为科技代表队伍的一员，必须在国民经济的主战场上发挥技术领先的作用。 另一方面，我们最终制造并应用了优秀的产品，推动了产业化的快速发展，期待着能够适应这么多人的财力、时间和精力的投入。 ”。 王洪光说。

4、(空之间的“使者”

还记得去年12月26日3点44分这个特别的时刻吗？

在位于西昌凉山彝族自治州的西昌卫星发射中心，中国利用长征二号丙运载火箭成功发射了遥感30号03组卫星空，卫星进入预定轨道，发射任务顺利完成。

此时，沈阳自动化所空间自动化技术研究室副主任刘金国表示，团队开发的“太阳电池组及其展开系统”作为重要部件应用于该卫星，为我国多星集团网络式电磁环境探测和相关技术试验提供了重要支持。

应用于该系统的主要部件是太阳翼。 太阳翼是卫星的能量来源，卫星发射时太阳翼处于折叠状态，需要太阳翼在星矢分离展开和卫星飞行中持续调整方向等。 在此前发射的遥感30号01和02组卫星上，也成功应用了该系统。

可以说，太阳翼的供给状况决定着卫星的“生死”。 过去，这是中科院的“掐脖子”技术，“技术掌握在别人手里，人需要的钱我们得付多少”。 刘金国说。

沈阳自动化所面临危机，刘金国和团队成员克服困难，不到两年实现了技术创新，为国家空之间的探索提供了一系列先进的结构和机构。

刘金国

年，沈阳自动化所空间自动化技术研究室提出国家对外太空、月球和其他行星科学探索诉求，开展了空间智能装备和相关技术的研究，3个行业:载人航天、国家月球和深空勘探

载人月球探测是目前所有航天大国关注的焦点。 今年年初，国际学术杂志《环境科技》应邀以封面论文的形式刊登刘金国团队在载人月球探测前研究行业的最新成果。 研究人员利用模拟月尘，比较并深入研究了月尘对呼吸系统的毒性及其作用机制。 结果表明，吸入月尘可能引起炎症性肺纤维化病变，炎症和氧化应激是月尘所致肺损伤的重要因素。 这将为宇航员月尘毒性的防治提供重要的依据和参考。

在刘金国，宇航员面临的“危险”不仅如此。 “我国载人航天器一次只有3名航天员，但科学实验非常多，细胞切割、注射、转移等精密实验很危险，航天员在操作中受伤，就不能用太空愈合，必须返回地面。 ’刘金国希望所有的太空科学实验都被机器人化。

在沈阳自动化所一楼展示厅中最显眼的位置设置了嫦娥三号月球车的原理样机，它基本上模拟了国家规定的月球车的质量、大小、外形和功能。 其中，机器人系统是沈阳自动化所设计和开发的，这次研究开发为沈阳自动化所的月球和深度空探测积累了一系列技术和经验。

大概是今年年底，嫦娥五号月球探测器成功发射之际，这个机器人系统闪耀光芒，展现自己的时候了吧。 届时，它可以支撑探测器的“眼睛”，“环视”月球。

5、给机器人“慧眼”

微创手术是最大限度地保护患者、减小伤口的手术，但对外科医生提出了极高的要求。 特别是以前流传的脊柱微创修复术，由于创伤极小，医生的视野也非常有限，几乎都是“盲操作”。

要知道，如果脊柱周围神经密集，损伤神经，后果是无法想象的。 在看不见东西的状态下操作脊柱手术，就像电影《盗天陷阱》中凯瑟琳·泽塔·琼斯遮住了红外线交错的天罗地网。

目前，医生正在帮助使用x光透视脊柱内部结构。 但是，x射线会产生一定的放射线，不适用于怀孕准备、怀孕等处于特殊阶段的人。 另外，x射线只能记录术中特定几个时刻的静止图像，不能实时提供变化的消息。

沈阳自动化所唐延东课题组开发的计算机视觉技术，有助于医生在手术中查看脊柱和周边的内部结构。 在实验室里，甚至实现了脊柱手术的“远程操作”。 外科名医无需亲临现场，就可以通过显示器上的实时图像操作机器人进行手术。

唐延东

“有人说我们的工作是关注机器人。 但是，这句话只对了一半。 在“眼睛”的后面，“大脑”相连。 ”。 唐延东说:“机器人‘看到’东西后，接下来感知、识别、评价、反馈是最重要的环节。”

赋予机器人慧眼——“慧眼”，不就是讲究“眼脑”结合、“智能”支撑吗？

“我们工作的首要原理是根据摄像机的图像，用计算机程序解决图像中包含的新闻，指导机器人做出正确的反应。 ”。 另一位研究计算机视觉的科学家朱枫说:“严格来说，这不是真正的视觉，但我们的目的是实现特定场景中需要‘视觉’的特定功能。”

时间回到年10月19日，天宫2号空之间的实验室与神舟11号载人飞船对接，宇航员进入“天宫”，与里面的机械臂合作完成了轨道上的维护实验。 铁臂牢牢拧紧螺丝，灵巧地抓住空上漂浮的小球——就像一只心地光明的生物。

这是朱枫团队具有凝聚力开发的空间视觉技术，是在“特定场景”中实现的“特定功能”。

6、让机器人“活着”起来

是无机的、刚性的、固定的，生命是有机的、柔软的、成长的。 “机器人”迅猛发展，看起来似乎具备模拟许多生命活动的功能，但归根结底，许多只是简单的“机器”。

正如朱枫所说，“机器视觉的基础，仍然是机电系统和数据计算，与生物的视觉机制完全不同。 ”。

有机世界和无机世界之间的“次元壁”，真的不能突破吗？

沈阳自动化所机器人学研究室主任刘连庆笑了，在他的红外摄像机里“饲养”了一只活的响尾蛇细胞。

响尾蛇的“脸”有一个面积只有1平方毫米的脸颊凹陷，可以通过蛋白质的折叠和离子通道的触发来感知红外线，感知环境中0.001℃的温度变化。 有了这个逆天神器，响尾蛇就可以在完全的黑暗中捕捉老鼠等温血动物。

与自然造化相比，人类发明的商用红外感知器件更重，不仅需要较大的冷却系统辅助，而且不太可能达到响尾蛇的感知精度和光谱宽度。

刘连庆决定将生命系统融入机电系统。 他与中国科学院成都生物研究所、上海药物研究所和中国科技大学合作，将光敏生物蛋白转移到图案细胞，获得感光能力，将该细胞通过特殊技术移植到红外相机的金属壳体下。

沈阳自动化推进的学科方向之一——生命机器人不断创造新时代的神话。

张闯

今年博士刚毕业，提前入住的张闯王，是席宁和刘连庆两位研究员的学生。 他的主攻方向是服务医疗行业的生命微纳机器人。 他将来自人体的骨骼肌细胞和心肌细胞与硅胶的软件材料结合，制作出了极其微小的纳米机器人。 这种肌细胞的看家能力是将人体血液中的atp化学能直接转化为机械能，为纳米医疗机器人提供动力。 从身体上看，这些肌肉细胞都是“自己人”，所以很难产生免疫反应。

张闯之兄弟李密正在用纳米机器人对战癌症。 美罗华是治疗b细胞淋巴瘤的靶向特效药，但只对部分患者有效。 因淋巴癌而病逝的着名主持人罗京，不幸与此药无缘。

“这与癌细胞表面的靶向有关。 ”李密说:“如果我们开展治疗之前，派遣纳米机器人先遣队，检测目标，预测这个患者是否可以使用美罗华，是推进淋巴瘤精准医疗的重要一步。”

李密

但是，研究药物与淋巴瘤细胞的相互作用需要特殊的水凝胶微环境，现有的水凝胶都不具备必要的性质。 李密向自然界捕虫植物茅膏菜偷师学艺，模拟茅膏菜粘液水凝胶。 淋巴瘤在这种凝胶中，形成三维球状体，乖乖地等待着纳米机器人来“体检”。

正如刘连庆所说，仿生机器人是当今机器人“进化”的巨大推动力。 地球生命经过40亿年堆积的进化智慧是机器人无法掌握的巨大宝库。 这是一个伟大的时代，机器人处于“更像机器”到“更像生命体”的历史阶段。 让机器人“活着”，是像沈阳自动化所这样的生命机器人团队肩负的历史使命。

走在沈阳自动化所，就是走在机器人总动员的王国。 现在的沈阳自动化所不再是培养新生的“摇篮”，而是像专业有实力的“大学”一样，分领域培养机器人，将其推向世界最先进的竞技舞台。

在这些八仙漂洋过海、各显神通的机器人背后，有许多勤劳聪明、有血有肉的沈阳自动化所的科研人员。 他们纤细的雕刻时的样子，头脑风暴时的神采，正好完美地推动着“人工”和“智能”碰撞出灿烂的火花。