南航戴振東：仿生學研究需要與生物學家跨界交流，目前最缺的是人才 | CCF-GAIR 2018

2004 年，南航第一代「大壁虎」仿生機器人問世。歷經 7 年更新完善，研究團隊在改善運動協調、遠程控制以及電動機更新等問題的基礎上，2011 年，終于成功實現「大壁虎」的 90 度自由爬行。

這一研究由南航戴振東教授帶領，在這期間，戴振東教授負責《類壁虎仿生機器人的關鍵基礎》項目，在這一項目中，他們建立了規范的實驗動物實驗室飼養體系，研究壁虎運動仿生所需要的生物神經信息學、運動力學協調等基礎問題，為特種機器人學、神經信息學、運動生理學等相關學科的交融和交叉發展奠定了基礎。

據雷鋒網 AI 科技評論了解，建立南航仿生結構與材料防護研究所以來，戴振東教授團隊對壁虎、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構和疏水性關系。如今，距離實現 90 度自由爬行的仿壁虎機器人已過去 7 年之久，相信大家對他們的最新研究一定非常好奇。

作為國內仿生學研究領域的佼佼者，戴振東教授將蒞臨 CCF-GAIR 大會帶來主題報告，與大家分享仿生機器人研究體會和未來發展。

會前，雷鋒網 AI 科技評論對戴振東教授進行了一次郵件采訪，談到此次仿生機器人論壇的亮點，戴振東教授表示，這次論壇將會把理論與實際結合，既有前沿的探索，又有落地的應用。

在采訪中，戴振東教授表達了如下觀點：

• 仿生學是一個橫斷和前沿領域，涉及學科眾多，這一學科可以用「跨學科交叉融合」、「啟發原創」、「前沿探索」、「工程應用」關鍵詞來表述。

• 仿生學在中國的發展可以一直追溯到古代的「木牛流馬」、漁船搖擼、魯班發明木鋸。

• 仿壁虎機器人成功的核心因素包括對機器人如何感知黏附接觸的狀態、感知自身的重力角、通過學習掌握對應的運動模式等的研究。

• 仿生學研究的難點在于從研究生物到理解生物再到工程實現，周期太長，很多人難以堅持。

戴振東教授也提出仿生學研究現存的問題——理解動物運動的生物學家不懂機器人控制，而做機器人控制及軟件編程的研究人員很少知道機器人是如何運動的。他表示，兩個領域的專家需要多多交流，多多進行思想上的碰撞。

戴振東，博士，教授，博士生導師。1983、1986 和 1999 年在南京航空航天大學分別獲得學士、碩士和博士學位。2002 年創建仿生結構與材料防護研究所，任所長。是國家自然基金委員會十三、十四屆信息學部咨詢評審專家、國家 863 計劃評審專家；國際仿生工程學會中國代表、固體潤滑國家重點實驗室學術委員會委員、摩擦學學會常務理事；中國仿生工程學會籌建委員；《摩擦學學報》、《J of Bionic Engineering》、《Friction》等多 7 個學術期刊編委，數十個國際仿生/摩擦學/機器人專業學術會議的學術委員。

出版《動物行為仿生學》、《壁虎的運動力學與運動仿生》、《摩擦體系熱力學引論》等專著 4 本。發表期刊論文 260 多篇，所帶領的研究所所有教師均主持國家自然科學基金。現主要從事運動仿生（仿生與生物機器人），輕質多功能仿生結構與材料、摩擦體系熱力學與表面技術的研究。

以下為雷鋒網 AI 科技評論對戴振東教授的專訪：

1. 仿生學集合了生命科學、腦科學、工程學、數學等多門學科，你會用怎樣的關鍵詞來定義這一門學科，它與其它學科的交叉性和關聯性主要集中在哪些層面？

仿生學是一個橫斷和前沿領域，涉及學科眾多，要準確地給出關鍵詞并不容易。我想用「跨學科交叉融合」、「啟發原創」、「前沿探索」、「工程應用」來表述。

仿生學與其它學科的交叉和關聯體現在多個方面。核心有兩點：

• 一方面，通過研究生物的機制和規律，啟發工程設計和技術發明；

• 另一方面，其它學科提出的問題和提供的研究手段為生命科學的發展牽引出研究目標、提供新的手段。

以我本人熟悉的運動仿生為例，工程上對動物機器人的需求引出了研究動物腦運動核團、核團間聯系及其神經信息交互作用機制這樣一個在腦科學和神經科學領域關注度不多的問題。另一方面，微電極陣列的制造、植入需要機械工程和生物力學的介入，神經信息的采集、傳輸、處理和分析，需要微電子技術、無線信息傳輸技術、數學等學科的融合。

以運動力學及仿壁虎機器人控制策略研究為例，此前人們并沒有認識到壁虎運動反力模式的重力角度相關性，實驗表明大壁虎的運動反力模式分為三種，和重力角度有很大關聯，這為爬壁機器人控制提供了直接的啟發。在此過程中，機械工程和測試技術是研制力傳感器和運動反力測試系統的支撐，計算機和信息處理為后續分析奠定了基礎，而研究得到的結果既豐富了生物學的內涵，也啟發了仿壁虎機器人的控制設計。

總結起來，仿生學是橋梁，可以溝通和關聯不同的學科，獲得雙贏的結果；仿生學是播種機，是原始創新的源泉和種子。

2. 國內在仿生學方面有哪些比較領先的研究？與國外相比，國內的仿生學研究側重點有何異同？

中國仿生學的研究歷史淵源深厚，「道法自然」是中國哲學的核心內涵之一，「木牛流馬」、漁船搖擼、魯班發明木鋸的故事等均體現了中國古代的仿生學創造。

中國當代的仿生學研究，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 90 年代陳秉聰和任露泉院士在仿生抗黏附方面做了開創性的工作，并實現了技術成果的轉移和商業化應用。

中科院、北航的江雷院士在表面疏水—親水、疏油—親油研究領域具有國際一流水平，形成了具有中國特色的理論體系和指導原則，技術成果也得到很好的應用。

進入 21 世紀以來，國內仿生學研究團隊增長飛快，研究水平也有很大提高。

和國外研究相比，中國仿生學研究的主要力量在工程領域，帶著工程的需求和問題。如果根據生物學研究的文獻開展應用研究，優點是可以很快解決工程問題，不足是對生物的作用機制理解不夠深，往往有為仿生而仿生的嫌疑。

最近幾年，陸續有生命學科研究領域的學者關注仿生學研究，如成都生物所唐業忠教授等，中科院動物所也有學者積極介入相關研究。

國外的研究團隊中有不少生物學家，典型的代表是德國，例如「荷葉效應」中，生物學家起到很好的推動作用。在美國，軍方對此類研究的推動很大，如仿壁虎黏附機制和黏附材料的研究。動物運動控制的研究具有很強的軍事背景。

3. 你的研究包括運動仿生，這里涉及揭示動物運動的機構結構、感知控制和行為規律，在這一過程中，關鍵性的技術有哪些？

動物的運動仿生是系統技術，從最終形成產品的角度看，很多環節都非常重要。從機構看，仿生黏附運動需要匍匐運動機構，而不是常見的直立運動機構。如何保證仿壁虎機器人腳和所在運動面形成有效鎖合（產生粘附力），機器人如何感知黏附接觸的狀態，感知自身的重力角，并通過學習掌握對應的運動模式等，這都是仿壁虎機器人能夠成功的核心因素。

4. 你對哪些生物進行過研究？你是根據哪些因素來挑選研究對象的？對生物進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、鴿子的運動控制，壁虎、樹蛙、多種昆蟲的黏附接觸運動力學，十多種昆蟲鞘翅的展開和閉合規律，昆蟲鞘翅的結構，泡沫金屬的制備和性能，幾十種樹葉的微結構和疏水性關系等。

研究動物的選擇是從實際工業需求出發：

針對反恐對爬壁機器人的需求，我們選擇大壁虎開展研究和仿生，因為壁虎在各種表面上都能夠快速運動，是最合適的選擇；

針對復雜空間內飛行偵查等需求，結合衛星飛行器續航時間短的問題，我們對鴿子的運動控制問題進行研究，因為鴿子適合家養，也是典型的飛行動物；

針對航空航天對輕質結構的需求，我們研究鞘翅、骨骼等生物的輕質結構和材料特征；

根據工程上對超大表面的需求，我們對泡沫金屬的多功能應用展開研究。

對生物對象的研究方法根據研究需求不同而有所變化。在運動仿生方面，我們將傳統的行為學研究方法與力學測量方法、電荷測量方法、實際接觸面積測量方法相結合，建立了系統的研究方法，研制出對應設備；在神經控制方面，我們建立了新的模式動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動的空間編碼區，采用切片、染色等方法確定壁虎和鴿子的運動行為與腦區的關系。此外，我們用 SEM 和切片方法，研究鞘翅等生物組織的結構形態，用納米壓痕儀研究生物材料的力學性能。

5. 你 2002 年發表的論文 Roughness-dependent friction force of the tarsal claw system in the beetle Pachnoda marginata (Coleoptera, Scarabaeidae) 被引用次數達到兩百多次，這篇論文中，你們對甲蟲跗節進行了哪些方面的研究？得出了什么結論？

我們發現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 和粗糙峰的當量球半徑 R 的比，R / r >>1，難于形成機械鎖合。該研究提出了腳爪附著動物的附著能力與腳爪末端結構的關系，對抓型機器人的設計有指導作用。

6. 今年三月你帶領團隊發表論文 A Bio-inspired Climbing Robot with Flexible Pads and Claws，這一攀爬機器人實現了哪些突破？

仿壁虎機器人的實際應用面臨很多科學問題，包括工程化方面的問題，也需要很多關鍵技術。我們團隊在機器人機構設計和驅動、黏附材料制備及應用、機器人步態規劃及動力學仿生等方面取得了系統和全面的進展，在核心技術上也有所突破，為實際應用奠定了很好的基礎，但依然需要進一步滿足工程化需求。

7. 你在壁虎仿生上進行過諸多研究，對壁虎運動仿生的研究是從什么時候開始的？對壁虎進行了哪些研究？

我們團隊對壁虎運動仿生的研究始于 2002 年，當時，我們在實驗室建立壁虎飼養基地，保證實驗對象的可獲得性。我們研制了用于壁虎等動物運動力學測試的力傳感器，發明了多種新的實驗研究方法和設備，測定了大壁虎等動物從地面到天花板全空間的運動反力，發現并構建了運動反力模式，為機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，初步實現核心技術的可控，還根據國家需求，發展了多種仿壁虎機器人。從科學發現，到技術攻關，再到產品實現，我們實現了研究的全過程創新。

8. 壁虎運動仿生的發展歷程如何？目前在工程上主要有哪些應用？

人們對壁虎運動的興趣可以追溯到兩千多年前。2000 年以前，普遍的觀點是壁虎靠吸盤黏附在墻上，2000 年，Full 團隊認為壁虎的黏附是靠范德華力，隨后不少團隊對各種不同的仿生黏附材料進行研究和研制，如代頓大學的 Dai LM、德國的 Sitti、韓國 Kaist 的團隊。在國內，我們與美國 Rice 大學、芬蘭 Oulu 大學、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，研究仿生黏附技術在航天上的應用。

目前，在仿壁虎黏附技術研究系統上，國外進展較快的是美國，代表團隊是斯坦福團隊和伯克利 Full 團隊，他們已經完成了黏附材料在失重飛機上的實驗和在軌初步實驗。國內的南航團隊做了懸浮目標的黏附捕獲，取得了很好的結果。仿壁虎機器人的應用也正在根據工程需求積極推進中。

9. 如何將對壁虎的研究轉化到工程應用上？想要將對生物的研究轉化到工程上，這里的難點有哪些？

將壁虎的研究轉化到工程上，最大的問題是需要系統的、工程化的知識和經驗。高校和研究所往往極具創新，但缺乏工程化的能力、經驗和韌性，企業則缺乏創新的環境和積累。

仿生學研究的難點在于從研究生物到理解生物、再到工程實現，周期太長，很多人堅持不了。此外，缺乏跨學科學習和合作的通道，科學研究和工程實踐之間也缺乏對話能力。

10. 仿生學在未來的發展前景如何？目前這一學科的發展主要面臨著哪些挑戰？

學科交叉融合是當前科技發展的一個主要特征，仿生學恰恰是生命科學與工程科學、信息科學、材料科學交叉融合的產物。我們正面臨原創技術不足的壓力，仿生學是啟發原創思想的源泉，一定會為國家的技術創新作出重大貢獻。

該學科面臨的主要挑戰是缺乏人才，現在極度缺乏橫跨生命科學和其它工程學科的人才，而且以目前的培養體系，不太支持這種交叉和融合，因為交叉難度大，有影響力的高級專家也比較少。希望仿生學研究能夠得到進一步的支持和理解。

11. GAIR 大會今年首次開設仿生機器人專場，在你看來這是否意味著學界和業界對仿生學的關注越來越多？

是的。實際上從 NSFC 的申報，就可以明顯看到仿生機器人已經成為學者們關注的熱點。目前存在的問題是理解動物運動的生物學家不懂機器人控制，而做機器人控制及軟件編程的研究人員很少知道機器人是如何運動的。這兩個領域專家的對話，需要調諧到同樣的頻率，他們應能理解對方的語言。建議未來多組織一些跨界交流會，為雙方帶來更多思想碰撞的機會。

雷峰網原創文章，未經授權禁止轉載。詳情見轉載須知。