編者按：

2022世界機(jī)器人大會(huì)主論壇群星璀璨，產(chǎn)、學(xué)、研各領(lǐng)域大咖齊聚首，共話巔峰，為機(jī)器人未來發(fā)展領(lǐng)航。

峰會(huì)現(xiàn)場，中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化所副所長劉連慶發(fā)表了題為《可控型類生命機(jī)器人》的演講。以下為劉連慶演講內(nèi)容的整理。

各位老師、各位同學(xué)：

大家下午好！

我來自中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化所，從2014年第一屆世界機(jī)器人大會(huì)開始從來沒有間斷過，今天非常感謝組委會(huì)給我一個(gè)機(jī)會(huì)在主論壇向大家介紹工作，也向各位老師學(xué)習(xí)。

我報(bào)告主要包括五部分，首先介紹一下中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化所，它是我們國家最早研究機(jī)器人單位之一，中國第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人、水下六足機(jī)器人和步行機(jī)器人和核工業(yè)機(jī)器人都是在沈陽自動(dòng)化所誕生的，在此邀請感興趣老師和同學(xué)蒞臨沈陽自動(dòng)化所指導(dǎo)工作。近幾年沈陽自動(dòng)化所取得重大進(jìn)展，作為國家重大科技成就代表參加了改革開放40周年的成就展，2018年入選了習(xí)近平總書記新年賀辭，過去5年也3次入選兩院院士評(píng)選科技進(jìn)展，昨天習(xí)近平主席到沈陽之后，到了我們所下屬的新松公司給予指導(dǎo)和關(guān)懷。

今天我講的機(jī)器人和我放的機(jī)器人不太一樣，剛才各位老師講了很多和醫(yī)工結(jié)合，我這個(gè)也有點(diǎn)醫(yī)工結(jié)合的味道。

機(jī)器人發(fā)展離不開載體材料變化和仿生機(jī)理進(jìn)步，最早工業(yè)機(jī)器人是基于金屬材料，是簡單手臂的仿生，為物質(zhì)文明發(fā)展起到巨大推動(dòng)作用。今天載體材料一次躍遷，比如碳纖維、界定彈性體，包括仿生機(jī)理出現(xiàn)軟體機(jī)器人，無論是工業(yè)機(jī)器人還是軟體機(jī)器人，他們更多體現(xiàn)機(jī)器的屬性，我們希望更多體現(xiàn)人的屬性，就是剛才李院士講機(jī)器—人。有人屬性是柔性、濕潤、生長，我們理念是生命系統(tǒng)和機(jī)電系統(tǒng)的融合。為什么要融合？基于仿生學(xué)發(fā)展歷經(jīng)幾十年，如果大自然存在我們發(fā)現(xiàn)一直在模仿從未被超越，因?yàn)榇笞匀粌|萬年進(jìn)化已經(jīng)讓生命系統(tǒng)趨于完美。

為什么會(huì)有這種情況？我們現(xiàn)在研究機(jī)器人的理念是Top—Down方式，先有本體設(shè)計(jì)再選電機(jī)，更多是硬件和軟件相分離。而生命系統(tǒng)是從小到大過程，生物分子到細(xì)胞膜到細(xì)胞到組織，硬件和軟件是系統(tǒng)發(fā)展。具身智能只有在生命系統(tǒng)里存在。我引一個(gè)崔研究員和鄭南寧院士兩個(gè)PPT我合了一下，如果人體肌肉有600個(gè)，每一個(gè)肌肉只有伸長和縮短，彈指一揮間是2的600次方控制，對于人體神經(jīng)系統(tǒng)一剎那不用思考能夠?qū)崿F(xiàn)，這導(dǎo)致莫拉維克悖論，困難問題是簡單，簡單問題是困難的。我們的想法是在仿生學(xué)更進(jìn)一步，很多仿生學(xué)大咖都在，我們想在仿生學(xué)基礎(chǔ)上不進(jìn)行形態(tài)模仿、功能模仿，而是通過生命系統(tǒng)和機(jī)電系統(tǒng)在分子細(xì)胞尺度融合做出新一代機(jī)器人，我們給它起名字叫類生命機(jī)器人。

我下面簡單介紹一下我們最近的工作進(jìn)展，其實(shí)類生命機(jī)器人看似提了新名詞，早在70年前諾伯特·維納寫了一本書，副標(biāo)題關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制和通信科學(xué)的問題，大概是生命系統(tǒng)和機(jī)電系統(tǒng)融合的意思。還有一個(gè)電影大家感興趣可以看一下，是Google齊點(diǎn)大學(xué)校長拍了一部電影寫了一本書，名字是《When Humans Transcend Biology》。右邊展示是幾個(gè)現(xiàn)在已經(jīng)存在賽博格的人，他們把電子器械植入到身體里，這種融合還是一個(gè)比較粗狂一些的融合，而我能做是在細(xì)胞和分子尺度。

機(jī)器人三要素是感知、驅(qū)動(dòng)和智能，現(xiàn)在全部是機(jī)電系統(tǒng)，我們要做的是把感知變成生命感知，智能變成神經(jīng)涌現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)變成肌肉，我簡單介紹一下三個(gè)方向的進(jìn)展，首先是感知。傳感是機(jī)器人不可逾越重要問題，這里以紅外感知作為一個(gè)例子。傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)做紅外感知依靠半導(dǎo)體，如果學(xué)過大學(xué)物理知道普朗克定律，光子打過來讓電子產(chǎn)生躍遷，然后產(chǎn)生電流進(jìn)而實(shí)現(xiàn)檢測，半導(dǎo)體攙雜是非常復(fù)雜工藝，并且要想獲得高性照比，要有非常大的冷卻系統(tǒng)，即便如此也只能做到0.01k。生命系統(tǒng)完全是不一樣的原理，我以響尾蛇為例，響尾蛇感受紅外是依靠離子通道觸發(fā)，非常小在眼睛下方有一毫米蛋白，就能實(shí)現(xiàn)紅外感知，無需冷卻在常溫場景下做到千分之一分辨率，如果把這種機(jī)理放到機(jī)器人上，那將使機(jī)器人感知性能得到極大地提升，我們要做的是通過生命原理和機(jī)電系統(tǒng)融合實(shí)現(xiàn)紅外感知。紅外感知原理，去年剛剛獲得諾貝爾生物學(xué)獎(jiǎng)是TPRV1，大家能感覺熱和辣都是TRP，有光就有熱，TRPV1通過熱敏感感受紅外。合作伙伴成都生物所、上海藥物所、科大在機(jī)理做了非常多研究，跟大家簡單說一下，響尾蛇有四只眼，像中國神話小說二郎神有三只眼。成都生物所做過實(shí)驗(yàn)，把響尾蛇雙眼蒙上之后，它依然能夠精準(zhǔn)地捕獵，就是在它眼睛下方夾窩處，有兩個(gè)能夠感受紅外的受體叫Triple one。所以我們做的是把Triple one轉(zhuǎn)染到模式細(xì)胞上，對細(xì)胞功能化，相應(yīng)檢測，我們是搞自動(dòng)化的，還有反饋閉環(huán)，在反饋調(diào)控和優(yōu)化，讓功能細(xì)胞更加靈敏，讓它能夠感受到紅外離子通道的觸發(fā)。

生命系統(tǒng)和機(jī)電系統(tǒng)融合離不開機(jī)電系統(tǒng)，現(xiàn)在機(jī)電系統(tǒng)比較大，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在只能做一個(gè)細(xì)胞，一個(gè)細(xì)胞是一個(gè)像素，我們很難做到幾千萬個(gè)像素在一塊。我們用機(jī)電系統(tǒng)做了單像素沉淀裝置，有了它以后，外圍全是機(jī)電系統(tǒng)，中間敏感單元是一個(gè)活體細(xì)胞。有了它之后，我們可以用活體細(xì)胞對紅外進(jìn)行成像，也可以對可見光，這幅圖雖然不是那么清晰，但是我想它的意義在于什么呢？不是用手機(jī)感受紅外，而是用活體細(xì)胞感受紅外。所以生命會(huì)進(jìn)化，細(xì)胞通過和生命科學(xué)深度結(jié)合也可以進(jìn)化，這樣未來有可能做出比響尾蛇更加靈敏類生命感知器件，這是我想跟大家分享第一塊類生命感知。

第二我講一下類生命驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)剛才好多老師講了和機(jī)器人相關(guān)內(nèi)容，一會(huì)兒還有四足仿生機(jī)器人論壇，無論哪種驅(qū)動(dòng)方式，只要是機(jī)電就是復(fù)重比小，工業(yè)機(jī)器人100公斤能舉起100公斤重物，1：1頂天了，并且都是用電能到機(jī)械能，轉(zhuǎn)化效率低。右下角是我們所做水下機(jī)器人，大概8米長，一半以上都是電阻。再看生物界，螞蟻可以舉起來比自己大400倍的重物，生物到機(jī)械轉(zhuǎn)化能力高，全部是ATB、AGB粗絲細(xì)絲等，我們能不能把細(xì)胞拿出來做驅(qū)動(dòng)器，像跟人做手腕一樣做人造機(jī)械手臂，有血有肉。但是剛剛起步的時(shí)候，我們選擇了一個(gè)相對簡單的，我們先做一個(gè)小驅(qū)動(dòng)器，依然面臨很多困難。如果用傳統(tǒng)機(jī)器人用全部是電阻電容機(jī)械電子器件，它物性單一機(jī)理明確，我們測試設(shè)備也很齊全，示波器、萬用表等等，但是當(dāng)變成生物細(xì)胞物性復(fù)雜、機(jī)理不明，我們?nèi)睓z測裝置、建模方法、操控手段，一步步來，我簡單介紹一下我們?yōu)榱丝朔@些困難做了一些工作。

第一是怎么樣獲得細(xì)胞各種生理狀態(tài)，我們可以用壓的來測，我們發(fā)展了蹦蹦床一樣，讓細(xì)胞放在可以控制機(jī)械振動(dòng)載體上，細(xì)胞大家可以想象成一個(gè)水球，水球在可控激勵(lì)薄板跳動(dòng)，可以把粘彈性、機(jī)械彈性、硬度測量出來。具體過程和建模我略過去。還有一個(gè)很重要是細(xì)胞到底是有源還是無源，生物學(xué)家做細(xì)胞研究用線彈性模型認(rèn)為是無源的，我們知道細(xì)胞和身體有很多能量轉(zhuǎn)換，一定是有源的，所以在這個(gè)工作里把線彈性變成了粘彈性，把無源變成有源建了細(xì)胞模型，這是建模過程和測試結(jié)果。這是實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)，通過檢測和建模，有一個(gè)可以用的模型，實(shí)測模型和仿真數(shù)據(jù)基本吻合，為細(xì)胞放在一起做可供應(yīng)驅(qū)動(dòng)器奠定基礎(chǔ)。做驅(qū)動(dòng)器不可能一個(gè)細(xì)胞實(shí)現(xiàn)，要很多細(xì)胞匯聚在一起才可以，怎么把細(xì)胞匯聚到一起再慢慢生長。傳統(tǒng)方法有很多，其中比較典型是光鑷，把光匯聚到一塊，用動(dòng)量守恒定律，通過光子撞擊在物體上產(chǎn)生作用力和反作用力實(shí)現(xiàn)操控，為了實(shí)現(xiàn)比較大操控力往往需要比較大的光強(qiáng)，直接由光能到機(jī)械能。光強(qiáng)大很容易把生物細(xì)胞殺死，我們把這種技術(shù)基礎(chǔ)發(fā)展為光電鑷，從光能到電能做到機(jī)械能，通過加入電之后，光強(qiáng)是光鑷的百分之一，但作用力大小是一樣的。你把光打成什么樣的形狀，力就是什么樣的形狀，可以做單點(diǎn)操作，我們可以誘導(dǎo)水凝膠，我們把水凝膠和細(xì)胞放在一起，就能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)胞的固化。如果看過《變形金剛》都知道我們叫能量塊，可以把細(xì)胞打成任何尺寸、任何形狀。有了它之后可以像擺俄羅斯方塊一樣，每一個(gè)形狀代表不同種類細(xì)胞，我們可以把機(jī)器人模塊式自由組裝在一塊，想讓它產(chǎn)生什么運(yùn)動(dòng)打成什么樣的構(gòu)型。有了這個(gè)技術(shù)之后，我們做出來幾種小驅(qū)動(dòng)器，能爬、能游、能走。最大特點(diǎn)是什么？不是機(jī)電裝置，是一團(tuán)肌肉系統(tǒng)細(xì)胞系統(tǒng)混合在一起類生命混合體。電脈沖可以實(shí)現(xiàn)速度控制，并且不需要任何優(yōu)化，就已經(jīng)比機(jī)電系統(tǒng)有20倍高負(fù)重比，并且持續(xù)優(yōu)化空間大。我們現(xiàn)在在做大尺寸，希望能打出來手臂一樣大小，這樣對今天工業(yè)機(jī)器人和其他方方面面操作機(jī)器人，可能會(huì)有比較大的改變。

最后簡單講一下類生命智能，機(jī)器人離不開智能。今天講了很多智能，剛才孟院士也講了數(shù)據(jù)標(biāo)記，其實(shí)今天人工智能是先有人工再有智能，有多少智能就有多少智能，是從數(shù)據(jù)輸入輸出獲得智能，全部是數(shù)字的信號(hào)。反觀生命系統(tǒng)，它是一個(gè)數(shù)?；旌系男盘?hào)，在大腦里傳遞的時(shí)候，長程用數(shù)字信號(hào)，短程用模擬信號(hào)，造成今天人工智能和生物質(zhì)能有典型區(qū)別，并且生物智能有一個(gè)很大特點(diǎn)，不是基于數(shù)據(jù)，是基于運(yùn)動(dòng)、基于動(dòng)作。大家看到小孩子學(xué)東西，會(huì)發(fā)現(xiàn)他不斷嘗試一個(gè)東西，嘗試完會(huì)掌握這種技能。今天數(shù)字計(jì)算和人工智能基本是專用人工智能，會(huì)下象棋下不了圍棋，會(huì)下圍棋打不了牌，但通用智能是個(gè)途徑。生物神經(jīng)元是目前唯一可以產(chǎn)生高級(jí)認(rèn)知功能基本單元，并且動(dòng)作是塑造神經(jīng)元產(chǎn)生智能的關(guān)鍵。跟大家說一聲，我們跟神經(jīng)發(fā)育學(xué)家聊天，中國有句話叫江山易改本性難移，他們說10歲之前小孩剛生下來大腦連接是無序的，10歲之后這種結(jié)構(gòu)基本上固定了，這種固定是靠人在不斷和環(huán)境交互過程中重新塑造了大腦。

兩個(gè)基本觀點(diǎn)，第一智能是不是一定是硅基，通過神經(jīng)元能不能產(chǎn)生更好智能；第二把動(dòng)作引領(lǐng)過來，不僅是數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)，是動(dòng)作到動(dòng)作，很榮幸跟喬紅教授團(tuán)隊(duì)合作，今年申請一個(gè)項(xiàng)目就是做這方面的研究。

我強(qiáng)調(diào)動(dòng)作，有很多人認(rèn)為動(dòng)作不是智能，所以我找了神經(jīng)元崔研究所的圖，他說智能有三個(gè)層次，包括perception，梵高怎么做畫；包括cognition，我們怎么做，還有一個(gè)很重要是action，中國叫心靈手巧，所以action是很重要，機(jī)器人最主要特征是有動(dòng)作能力的運(yùn)動(dòng)載體。

我們做什么呢？讓大家看一下，動(dòng)作和運(yùn)動(dòng)有多重要，這是一只烏鴉，這是清華大學(xué)張老師給我的一段視頻應(yīng)該是在BBC上，非常聰明。如果讓機(jī)器人學(xué)會(huì)這種技能需要多長時(shí)候、需要多少天、需要多少年，因?yàn)橛袆?dòng)作，又是基于探跡神經(jīng)，很短時(shí)間但非常高技能，并且有邏輯推理能力有預(yù)測。我們做什么呢？我們在體外打印一個(gè)神經(jīng)腦，把海馬把大腦不同組織拿出來進(jìn)行打印，做硅基數(shù)字接口，由一個(gè)動(dòng)作機(jī)器人做運(yùn)動(dòng)合反饋，像我說孩子成長一樣，通過這種運(yùn)動(dòng)反饋來重塑神經(jīng)細(xì)胞之間的連接，看有沒有可能產(chǎn)生初級(jí)甚至高級(jí)的智能。圍繞這個(gè)理念做了什么呢？第一做了活體細(xì)胞精準(zhǔn)可靠打印，通過低溫神經(jīng)元細(xì)胞生物打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)血管化、網(wǎng)絡(luò)化打印，為構(gòu)建復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)。我們做打印機(jī)在科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)器官制造里面得到了大量的應(yīng)用。這是我們已經(jīng)做出來大三維方向可控的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)轶w外培養(yǎng)元代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是挺復(fù)雜的問題，所以我們做的范圍很大，生命科學(xué)家說已經(jīng)可以具備產(chǎn)生一定智能的規(guī)模了。

另外我們和科大研究，人工智能主要是煉丹，調(diào)節(jié)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重，對于生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也是這樣。我們和生命科學(xué)家一道研究怎么樣實(shí)現(xiàn)權(quán)重調(diào)節(jié)，現(xiàn)在看來是高頻刺激或者改變電脈沖在樹突神經(jīng)定義號(hào)發(fā)放前后的順序，是能夠?qū)ι窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行權(quán)重調(diào)節(jié)。也初步實(shí)現(xiàn)了一點(diǎn)智能，現(xiàn)在用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能控制一個(gè)小型機(jī)器人，能夠進(jìn)行簡單巡查和避障，現(xiàn)在也有一個(gè)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目正在支持，把這個(gè)項(xiàng)目往前走。我們希望項(xiàng)目結(jié)題能夠找無人駕駛的汽車，能夠在有限空間做一點(diǎn)自主駕駛的嘗試，這是我們正在做的工作。

最后一頁離不開展望，機(jī)器人三要素是感知、驅(qū)動(dòng)和智能，今天我介紹感知、驅(qū)動(dòng)和智能主要是分離的，分離只能叫器件，集成在一塊才能叫機(jī)器人。我們正在做要把感知、驅(qū)動(dòng)和智能集成在一起，我們真的把機(jī)器人由機(jī)器為主，變成了人的屬性為主，我們把載體從非生命變成生命，把仿生機(jī)理往內(nèi)生機(jī)理推進(jìn)，我們還要把智能由硅基向碳基邁出重要的一步。

謝謝各位老師，這是我今天全部分享的內(nèi)容！

—— 劉連慶