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一個人能到達的最遠地方是哪里？

劉開周的答案是7062米下的大洋深處，在被公認為世界最深、最難征服的馬里亞納海溝。

而帶他前往的是中國自行設(shè)計、自主集成研制的“蛟龍”號載人潛水器，該潛水器成功完成了世界上首次在7000米深度近海底的自動定向、定深、定高、定速和懸停定位等5種全自動航行控制功能。

這項成果，讓國際水下機器人領(lǐng)域為之一振。

事實上，不只是水下機器人，過去數(shù)十年，中國科學院沈陽自動化研究所（簡稱“沈陽自動化所”）創(chuàng)造了中國機器人事業(yè)發(fā)展史上的20多個“第一”。從這里誕生的機器人上可九天“攬月”，下可五洋“探寶”，也能攀援在高山深澗與懸崖峭壁間。它們“代替”人們踏足環(huán)境險惡之地，協(xié)助人們完成未竟的夢想。

沈陽自動化所，被譽為“中國機器人的搖籃”。

1、“蛟龍”號的“大腦”

劉開周，沈陽自動化所研究員，是“蛟龍”號載人潛水器控制系統(tǒng)的開發(fā)者之一和潛航員，被中共中央、國務(wù)院授予“深潛英雄”稱號。

讀博士期間，劉開周師從中國工程院院士封錫盛，從事機器人半物理仿真平臺和水下機器人控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)工作。劉開周介紹，控制系統(tǒng)相當于載人潛水器的“大腦”，而半物理仿真平臺是一套實時仿真系統(tǒng)，它本身就相當于一套虛擬的載人潛水器系統(tǒng)。

“我們的責任是，保障潛水器安全可靠運行，盡可能減少試航員遠距離航行尋找目標的勞動強度。”劉開周說。

他們所開發(fā)的控制系統(tǒng)軟件可以在半物理仿真平臺進行調(diào)試和驗證，通過驗證后可直接下載到實際的載人潛水器控制系統(tǒng)中，這大大降低了載人潛水器的運行成本和相應的風險。同時還能對試航員進行全真培訓，極大提高了試航員的操作水平和熟練程度。

劉開周表示，相對于一般在水下最多十幾噸重的水下機器人而言，“蛟龍”號在水下可重達40多噸，“控制系統(tǒng)是一個新的挑戰(zhàn)，比如海水密度、水下壓縮、機械手操作等易受水流影響而多變，影響航行穩(wěn)定和潛水器安全。”

為了克服"蛟龍"號參數(shù)時變、閉環(huán)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的不確定性問題，劉開周借鑒專家控制經(jīng)驗，研究了基于模糊原理的控制參數(shù)在線自動調(diào)整的控制策略，以及基于數(shù)論的數(shù)據(jù)處理方法，實現(xiàn)了"蛟龍"號在復雜海洋環(huán)境下高精度導航定位、航行控制、載人艙內(nèi)綜合信息顯控、水面監(jiān)控、黑匣子數(shù)據(jù)分析和控制系統(tǒng)測試等功能。

這些，使得“蛟龍”號在7000多米深淵中“乖乖聽人指揮”，完成任務(wù)。

接手“蛟龍”號時，劉開周剛博士一年級。他坦承，起初還有些膽怯，“不敢接”。項目開始時，整個團隊傾盡全力，對系統(tǒng)的每個細節(jié)錙銖必較。他們每天都在問自己：“可能會發(fā)生什么情況？還可能會發(fā)生什么情況？”

海試“10小時”的背后，是水試、湖試的“數(shù)年功”。劉開周說，水池實驗也十分重要。在博士期間，他們下潛過60多次湖，80%的設(shè)計人員都下潛過，只有確認沒問題了，才能下海，“實驗室做出來的仿真算法跟真正在水里的情況幾乎完全不一樣，也許可以仿真一部分，但修正的任務(wù)才是最艱巨的。”

多年來，劉開周參與并一步步見證了“蛟龍”號從1000米、3000米、5000米到7000米的每一個里程碑。

在他看來，是使命感驅(qū)使著自己，一路向前——“在國家需要的時候，你在哪兒？你在干什么？做有準備的人，在國家真正需要你的時候，就不會出冷汗。”

2、海洋“幽靈”

2019年4月1日，中國南海，由沈陽自動化所完全自主研發(fā)、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的“海翼”號水下滑翔機順利回收。它不負眾望，再次創(chuàng)下新紀錄：連續(xù)工作時間長達211天，續(xù)航觀測距離3400多公里。

收到這一消息時，遠在3000余公里之外的沈陽，沈陽自動化所研究員、海洋機器人卓越創(chuàng)新中心主任俞建成自豪又激動。

近年來，“海翼”號所向披靡，創(chuàng)造了一個又一個驚人的世界紀錄：在馬里亞納海溝創(chuàng)下6329米的水下滑翔機世界深潛紀錄、實現(xiàn)國內(nèi)最大規(guī)模的水下滑翔機集群組網(wǎng)觀測、首次在白令海布放的同時，也首次應用于中國北極科考……

作為“海翼”號水下滑翔機的設(shè)計師，俞建成十分清楚，16年來，“海翼”號取得光鮮成績的背后，是團隊成員朝乾夕惕的奮斗、日雕月琢的堅守。

2003年，俞建成剛考入沈陽自動化所攻讀博士學位。在一次周六例行討論會上，導師張艾群（時任沈陽自動化所水下機器人研究中心主任）推薦給他一份國外關(guān)于水下滑翔機的最新研究成果。閱讀之后，俞建成對這一新事物產(chǎn)生了濃厚興趣。那時已確定了博士課題方向的他，只是把水下滑翔機當成“業(yè)余愛好”。“當時這還是個很小的方向，那時國內(nèi)包括所里關(guān)注的重點是AUV等傳統(tǒng)典型的大型海洋裝備式的水下機器人，我也沒想到水下滑翔機能干點啥，也沒想到能像今天這樣‘熱’。”

16年前，沈陽自動化所率先組建團隊在該領(lǐng)域布局并開展探索。俞建成成功申請了研究所“知識創(chuàng)新工程蔣新松創(chuàng)新基金”，并獲得了12萬元的經(jīng)費支持，他開始帶著師弟們一起做水下滑翔機。

2005年，他們在國內(nèi)率先研制出了“海翼”號水下滑翔機原理樣機，并成功在湖里“動”了起來，解決了滑翔機運動與驅(qū)動機理、模塊化結(jié)構(gòu)、低阻外形優(yōu)化等一系列關(guān)鍵技術(shù)，這是從無到有的突破。

事實上，當時在國際上，水下滑翔機因其能源利用效率高、噪音低，具有能開展大范圍、長時間連續(xù)海洋環(huán)境觀測的優(yōu)勢，已成為國際研究和競爭的熱點。

2006年，水下滑翔機被列入國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）項目申報指南中。此時，恰好博士畢業(yè)的俞建成在導師鼓勵下申請其中一個項目并成功入選。“我很幸運，非常感謝我的導師，項目競爭非常激烈，競爭者都是研究員級別的，而我只是剛畢業(yè)的博士生，是導師極力堅持讓我獨立申請。”

就這樣，俞建成與研究室兩位職工正式組建團隊。2009年，他們做出了國內(nèi)第一個在海上實驗并成功的水下滑翔機樣機。盡管指標并不高，深度只有1200米，航程500米，但“第一個”的榮譽就已極其珍貴。

“當時海上條件還是蠻艱苦的。”俞建成對第一次海試的經(jīng)歷記憶猶新。2009年夏天，10人共同前往三亞，為了節(jié)約經(jīng)費，他們在三亞租借了一艘小漁船。團隊經(jīng)歷的第一個考驗就是暈船，在海上顛簸了一晚上，還未到達海試地點，就已有人暈得無法下床。

“由于船很小，大家只能擠著在甲板上睡覺。10多天下來，曬得跟漁民一樣了。我們還在海上養(yǎng)雞養(yǎng)鴨作為食物來源。”再回首，在俞建成眼中，除了艱苦，更多的是難得的經(jīng)歷，以及大家相互扶持，攻堅克難、完成任務(wù)的幸福，“現(xiàn)在我們的條件好多了。”

2009年，他們成功研制出第一代“海翼”水下滑翔機工程樣機并在千島湖完成湖上實驗，最大下潛深度為1200米。

團隊的目標很清晰，大幅提升水下滑翔機海里的工作時間和航行里程，實現(xiàn)長期在海洋里面停留并完成一些工作。經(jīng)過16年艱辛探索，“海翼”號水下滑翔機足跡遍布東海、南海、太平洋、印度洋、白令海峽。2018年，兩臺“海翼”號7000米級水下滑翔機完成了長達1448公里的馬里亞納海溝深淵測線觀測，最大下潛深度達7076米，是目前世界上下潛深度超過7000米次數(shù)最多的滑翔機，也是世界上唯一一款能長時間連續(xù)穩(wěn)定工作的深淵級滑翔機，同時順利完成對海溝溫度、鹽度、水體特征等的探測作業(yè)。

“現(xiàn)在，水下滑翔機的技術(shù)已經(jīng)很成熟了，但對于續(xù)航里程的要求是無止境的，長遠目標是超過1年，這對海洋科學的影響將會是顛覆性的，或許那個時候我就可以退休了。”俞建成期待著愿景實現(xiàn)的那天。

“我們現(xiàn)在還在考慮它在水下待那么久，能干什么事，能解決什么問題。”俞建成說，他們正在與海洋科學家合作，解決海洋預報、海洋觀測等難題；推動數(shù)據(jù)共享，以及拓展更多的應用場景，最大發(fā)揮水下滑翔機的應用價值。

3、機器人中的“特種兵”

電力巡檢，一直被稱為高危行業(yè)、特種作業(yè)。

我們常常在電視新聞中看到這樣的畫面：無論烈日炎炎，還是冰雪嚴寒，頭戴安全帽、背負重達幾十公斤檢修設(shè)備的電力巡檢工人總徒步翻越高山、穿越河谷叢林，日行十幾公里，檢修受損鐵塔、巡護線路設(shè)施，清查電線周圍障礙物，保障電力系統(tǒng)的正常運行。

“電力巡檢工人太艱難了，南方有南方的苦，北方有北方的難。但電網(wǎng)作為國民經(jīng)濟的命脈，這個工作必須得干。”沈陽自動化所工藝裝備與智能機器人研究室副主任王洪光談及此時，感到“痛心”。

2001年，錦州超高壓局向沈陽自動化研究所提出希望聯(lián)合研制電力巡檢機器人的需求，王洪光開始接觸這一領(lǐng)域。然而，起初他們并不被看好，尋求支持時也吃過不少“閉門羹”。

電力專家質(zhì)疑：“你們不懂電力環(huán)境的復雜、任務(wù)的艱難、要求的苛刻，你們做不出來。”同行專家也勸他們：“別做了，這個項目這么難，錢肯定都打水漂了。”

也許是“無知者無畏”，王洪光想著憑著已有的技術(shù)積累，針對需求做一些改裝設(shè)計，應該也不會很難，他和團隊把電力巡檢機器人的項目擔下了。然而，隨著了解的深入，他發(fā)現(xiàn)事情遠非想象的簡單。但是既然做了，就要堅持下去，王洪光和團隊用了3年獲得質(zhì)疑者的認可和信任，用了近20年的時間做出了產(chǎn)品。

“最難克服的是，如何讓電力機器人在強電磁場環(huán)境下運行。”回顧過去，王洪光記憶猶新。他舉了個例子，從低電位到500千伏的這一瞬間，如果電磁兼容沒做好，機器人立刻就會被電得“五馬分尸”，而機器人的電磁兼容防護需要特殊的技術(shù)手段，至今仍是難點。

不過，幸運的是，時至今日，經(jīng)王洪光手的機器人還沒有一臺在巡檢現(xiàn)場“死掉”。“我不敢讓它‘死’呀。”王洪光直言，一臺機器人少則幾十萬元，多則上百萬元，“賠不起”。而更重要的是，機器人“死掉”有可能使得電力線路受損和人員受傷，而這是一定不能發(fā)生的。“一旦有危險，無論什么狀態(tài)下都不能做實驗。”

整機機器人雖然沒有“死掉”，但單元模塊測試實驗時的“苦頭”他們可沒少吃。受強電磁場環(huán)境影響，“空中”的機器人與地面基站之間的通訊可能會中斷，而負責通訊系統(tǒng)的是機器人機載控制器。“這相當于‘生命線’，若是通訊中斷，就像斷了線的風箏一樣，你給機器人發(fā)指令，它不走，這時候真是沒辦法，只能干著急。”王洪光坦承，他們前幾年都在解決這個問題，“那段時間是我們最痛苦的階段。”

如今，王洪光團隊研發(fā)的電力巡檢機器人已經(jīng)從簡單的巡視跨向具備巡檢作業(yè)功能。他們開發(fā)的AApe系列電力檢測與維護機器人已應用在電網(wǎng)輸電、變電及配電設(shè)施的運行檢測與維護等工作中。電力巡檢機器人從東北的原始森林走到西南的盆地、喀斯特地貌，現(xiàn)在開始在南方山地丘陵“大展拳腳”。

“值得驕傲的是，我國電力機器人的研究在國際上位居一流行列，在某些技術(shù)產(chǎn)品及其性能指標上處在國際領(lǐng)先位置。”近20年來的成果逐漸開始在世界占有一席之地，這讓王洪光也越發(fā)充滿信心，但也深感未來依然面臨諸多挑戰(zhàn)。

“沈陽自動化所作為科技國家隊中的一員，一定要在國民經(jīng)濟主戰(zhàn)場上發(fā)揮技術(shù)引領(lǐng)的作用；另一方面，我們期望最終能做出優(yōu)秀的產(chǎn)品進行應用，推動產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，這樣才對得起這么多人力財力、時間和精力的投入。”王洪光說。

4、空間“使者”

還記得2017年12月26日3時44分這一特殊時刻嗎？

在位于西昌涼山彝族自治州的西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，我國用長征二號丙運載火箭，成功將遙感三十號03組衛(wèi)星發(fā)射升空，衛(wèi)星進入預定軌道，發(fā)射任務(wù)獲得圓滿成功。

這個時刻，沈陽自動化所空間自動化技術(shù)研究室副主任劉金國一直記得，因為團隊研制的“太陽電池陣及其展開系統(tǒng)”作為關(guān)鍵部件成功應用于該衛(wèi)星，為我國多星組網(wǎng)式電磁環(huán)境探測及相關(guān)技術(shù)試驗提供了重要支持。

該系統(tǒng)所應用的關(guān)鍵部件就是太陽翼。太陽翼是衛(wèi)星的能量來源，衛(wèi)星發(fā)射時太陽翼處于折疊狀態(tài)，星箭分離后打開以及在衛(wèi)星飛行過程中不斷調(diào)整方向等都需要太陽翼來供能。此前發(fā)射的遙感三十號01和02組衛(wèi)星上，該系統(tǒng)也被成功應用。

可以說，太陽翼的供能狀況決定著衛(wèi)星的“生死”。過去，這曾是中國科學院的一項“卡脖子”技術(shù)，“技術(shù)掌握在別人手中，人家要多少錢我們就得給多少錢。”劉金國說。

沈陽自動化所臨危受命，劉金國和團隊成員攻堅克難，用了不到兩年的時間實現(xiàn)技術(shù)突破，為國家空間探索提供一系列先進的結(jié)構(gòu)與機構(gòu)。

2010年，沈陽自動化所空間自動化技術(shù)研究室應國家進行外太空、月球與其他星球科學探索需求而生，開展空間智能裝備和相關(guān)技術(shù)的研究，聚焦三大領(lǐng)域：載人航天、國家月球與深空探測、衛(wèi)星的機構(gòu)與結(jié)構(gòu)。

載人月球探測是目前各個航天大國關(guān)注的焦點。今年年初，國際學術(shù)期刊Environmental Toxicology 以封面論文的形式，邀請刊載了劉金國團隊在載人月球探測預先研究領(lǐng)域的最新成果。研究人員利用模擬月塵，針對月塵對呼吸系統(tǒng)的毒性及其作用機制進行了深入研究。結(jié)果表明，吸入月塵可能會引起炎性肺纖維化病變，炎癥和氧化應激是月塵引起肺損傷的重要因素。這將為航天員月塵毒性的防治提供重要依據(jù)和參考。

在劉金國看來，宇航員面臨的“危險”不止如此。“我國載人航天每次只有3名宇航員，但科學實驗非常多，而且諸如細胞切割、注射、轉(zhuǎn)移等精密實驗比較危險，宇航員一旦在操作中受傷，在太空中無法愈合，必須得返回地面。”劉金國希望所有的太空科學實驗都應該實現(xiàn)機器人化。

在沈陽自動化所一樓展廳里最顯眼的位置，安放著嫦娥三號月球車的原理樣機，它基本模擬了國家所規(guī)定的月球車的質(zhì)量、大小、外形和功能。其中，機械臂系統(tǒng)由沈陽自動化所設(shè)計與研制，這次研發(fā)為沈陽自動化所在月球與深空探測方面積累了一系列技術(shù)和經(jīng)驗。

今年年底前后，嫦娥五號月球探測器發(fā)射成功之際，將是這套機械臂系統(tǒng)閃亮登場、展現(xiàn)自我的時刻，屆時，它會支撐探測器的“眼睛”，將月球“一覽無遺”。

5、給機器人一雙“慧眼”

微創(chuàng)手術(shù)，這種最大程度保護患者、減小創(chuàng)口的手術(shù)，卻給外科醫(yī)生提出了極高的要求。特別是傳統(tǒng)的脊柱微創(chuàng)修復手術(shù)，因為創(chuàng)口極小，所以醫(yī)生的視野也非常受限，幾乎是“盲操作”。

要知道，脊柱周圍神經(jīng)密集，一旦損傷神經(jīng)，后果不堪設(shè)想。在無法視物的情況下操作脊柱手術(shù)，就仿佛電影《偷天陷阱》里，凱瑟琳·澤塔瓊斯蒙著眼睛穿越紅外線交錯的天羅地網(wǎng)。

目前，醫(yī)生通常用X光來幫助自己透視脊柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)。但X光會產(chǎn)生一定輻射，處于備孕、懷孕等特殊階段的人都不適用。此外，X光只能記錄手術(shù)中特定幾個時刻的靜態(tài)畫面，不能實時提供變化的信息。

沈陽自動化所唐延東課題組研發(fā)的計算機視覺技術(shù)，可以幫助醫(yī)生在整個手術(shù)過程中看清脊柱及周邊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在實驗室中，甚至已經(jīng)實現(xiàn)了脊柱手術(shù)的“遙操作”——外科名醫(yī)不須親臨現(xiàn)場，就能憑借顯示器上的實時圖像操控機器人開展手術(shù)。

“有人說，我們的工作，就是給機器人安上一雙眼睛。但這句話只對了一半，‘眼睛’后面，還連著一個‘大腦’呢！”唐延東說，“機器人‘看到’東西之后，接下來的感知、識別、判斷、反饋，才是最重要的環(huán)節(jié)。”

給機器人一雙慧眼——所謂“慧眼”，不正是講究“眼腦”結(jié)合、“智能”支撐嗎？

“我們工作的主要原理，是在攝像機成像的基礎(chǔ)上，用計算機程序處理圖像中所包含的信息，從而指導機器人做出準確的反應。”另一位研究計算機視覺的科研人員朱楓說，“嚴格來說，這并不是真正的視覺，但我們的目的達到了，那就是在特定場景下實現(xiàn)需要‘視覺’的特定功能。”

時光倒退到2016年10月19日，天宮二號空間實驗室與神舟十一號載人飛船對接，航天員走進“天宮”，與里面的機械手臂協(xié)同完成了一系列在軌維修實驗。鋼筋鐵骨的機械臂，一絲不茍地旋擰螺絲，靈巧地抓取飄浮在空中的小球——就仿佛心明眼亮的活物。

這就是朱楓團隊凝心聚力研發(fā)的空間視覺技術(shù)，在“特定場景”下實現(xiàn)的“特定功能”。

6、讓機器人“活”起來

機器是無機的、剛性的、固定的，生命是有機的、柔性的、生長的。“機器人”發(fā)展至今，雖然看起來具備了很多模擬生命活動的功能，但說到底，大多數(shù)仍然只是單純的“機器”。

正如朱楓所說：“機器視覺的基礎(chǔ)，仍然是機電系統(tǒng)和數(shù)據(jù)計算，與生物的視覺機制截然不同。”

難道有機世界和無機世界之間的“次元壁”，就真的無法突破嗎？

沈陽自動化所機器人學研究室主任劉連慶笑了，在他的一臺紅外照相機里，“養(yǎng)”著一顆活生生的響尾蛇細胞。

響尾蛇的“臉”上，有一個面積僅有1平方毫米的頰窩，能通過蛋白質(zhì)折疊和離子通道觸發(fā)來感知紅外線，從而覺察環(huán)境中0.001℃的溫度變化。有了這個逆天神器，響尾蛇就能在完全的黑暗中，捕捉老鼠等溫血動物。

與大自然的造化相比，人類發(fā)明的商用紅外感知器件卻笨重了許多，不僅需要大體積的冷卻系統(tǒng)輔助，而且很難達到響尾蛇的感知精度和頻譜寬度。

劉連慶決定把生命系統(tǒng)融合進機電系統(tǒng)。他和中科院成都生物研究所、上海藥物研究所以及中國科學技術(shù)大學合作，把光敏感生物蛋白轉(zhuǎn)入模式細胞，使其獲得感光能力，然后把這顆細胞通過特殊技術(shù)植入紅外相機的金屬外殼下。

作為沈陽自動化所正在大力推進的學科方向之一——類生命機器人正在不斷創(chuàng)造著新時代的神話。

今年剛剛博士畢業(yè)并已提前留所的張闖，是席寧和劉連慶兩位研究員的學生。他的主攻方向是服務(wù)醫(yī)療領(lǐng)域的類生命微納機器人。他把來源于人體的骨骼肌細胞和心肌細胞，與硅膠軟體材料結(jié)合在一起，做成極小的納米機器人。這類肌細胞的看家本領(lǐng)，就是把人體血液中的ATP化學能直接轉(zhuǎn)化成機械能，為納米醫(yī)療機器人提供動力。在身體看來，這些肌細胞都是“自己人”，因而不容易觸發(fā)免疫反應。

張闖的師兄李密，則致力于用納米機器人對戰(zhàn)癌癥。美羅華是治療B細胞淋巴瘤的靶向特效藥，但只能對一部分病人起效果。因淋巴癌病逝的著名主持人羅京，就不幸與這種藥物無“緣”。

“這跟癌細胞表面的一種靶點有關(guān)。”李密說，“如果我們能在開展治療之前，就派出納米機器人先遣隊，去檢測一下靶點，預測這個病人能不能用美羅華，將是推動淋巴瘤精準醫(yī)療的重要一步。”

但是，研究藥物與淋巴瘤細胞的相互作用，需要特殊的水凝膠微環(huán)境，而現(xiàn)有的水凝膠都不具備他們所需要的性質(zhì)。李密向自然界中的捕蟲植物茅膏菜偷師學藝，模擬出了茅膏菜黏液水凝膠。淋巴瘤在這種凝膠中，會形成一個三維球狀體，乖乖等待納米機器人前來“體檢”。

正如劉連慶所說，仿生機制是當今機器人“進化”的一大推動力量。地球生命歷經(jīng)40億年積淀下來的進化智慧，是機器人取之不盡的巨大寶庫。這是一個偉大的時代，機器人正處于一個從“更像機器”到“更像生命體”跨越的歷史階段。讓機器人“活”起來，是沈陽自動化所類生命機器人團隊肩負的歷史使命。

走在沈陽自動化所，就是走在一個機器人總動員的王國。如今的沈陽自動化所，早已不再僅僅是孕育新生的“搖籃”，而更像一所專業(yè)齊全、實力雄厚的“大學”，把機器人分門別類地培養(yǎng)成材，推向世界最前沿的競技舞臺。

在這些八仙過海、各顯神通的機器人背后，是許許多多勤勞聰慧、有血有肉的沈陽自動化所科研人。他們精雕細琢時的姿態(tài)、頭腦風暴時的神采，正完美推動著“人工”與“智能”碰撞出燦爛火花。