从香水盒折出来的灵感！变胞理论让“变形金刚”走出实验室
当算法智能和结构智能相结合，AI机器人会是什么样子？当它们身处不同环境中，能否自主变身，与环境进行交互、主动解决问题？近日，记者在南方科技大学机器人研究院看到了可在三种不同生物形式间切换自如的变胞AI机器人，具身智能的未来发展从此有了更清晰的认识。
变胞机器人变成小狗的形状。深圳报业集团记者 张郗郡 摄
变胞开创新领域，获国际机械设计最高奖
日前，一则科研成果视频引发关注。视频中，一款新型类生物机器人，在无需拆卸和重新组装的情况下可实现爬行动物、节肢动物和步哺乳动物等不同生物形式的转换，它时而缩成一团，时而呈小狗状、蜘蛛状，能钻进狭窄通道，也能攀爬阶梯等障碍。有网友表示：“这是新一代变形金刚”、“‘看我七十二变’被南科大实现了”。带着对变胞机器人的好奇，近日，记者来到南科大机器人研究院，向英国皇家工程院院士、欧洲科学院院士、IEEE 和 ASME 双会士、南科大机械与能源工程系讲席教授、机器人研究院院长戴建生了解“变形金刚”诞生记。
变胞机器人由基于变胞理论创成的多种机构构型组成。变胞机构指能在瞬时使某些构件发生合并、分离，或出现几何奇异，并使机构有效构件数或自由度数发生变化，从而产生新构型的机构。就是人们口中常提到的“可塑性”。
随着Chat GPT和 SORA的出现，人们越来越意识到智能机器人时代的来临。在生态环境恶化加剧和自然资源日益紧缺的情况下，各类机器人与机械设备对机构可重构能力与变结构特性的要求不断提高。这就需要对机器人骨架的机构进行创新设计，使其形态能够随意切换，具备执行多种任务的能力，实现一机多能，达到减少环境污染、能源消耗的效果。
从机构设计的角度看，机器人传统机构一旦完成设计，其拓扑结构与活动度就很难改变。而可重构机构由于具有多构态变化，可以满足多任务、多工况与多功能的要求，实现“一机多用”。
据戴建生介绍，1998年，他从生物学原理提出“Metamorphic Mechanisms”，1999年与中国工程院院士张启先共同确认中文翻译为“变胞机构”。变胞机构的研究于1998年被美国机械工程师学会机构学委员会授予双年度最佳论文奖，成为20世纪90年代获最佳论文奖的唯一四篇论文之一。2000年，戴建生又发表了关于变胞机构构态模型的文章，由此掀起了国内外对变胞机构和各种新机构研究的热潮。2006年他提出可重构机构，在2009年召开的全球首届 IEEE国际可重构机构与可重构机器人大会上，开创了可重构机构新领域。他在2014年出版的《旋量代数与李群李代数》和《机构学与机器人学的旋量代数与几何基础》后，于2020年出版了《可重构机构与可重构机器人》专著，为变胞机构与可重构机构奠定了深厚的理论基础。如今，变胞机构与可重构机构已成为国内外机构学与机器人学领域的研究热点与重要新研究领域。
戴建生的工作于2020年获得了国际机械设计最高奖：ASME 机械设计最高奖。为1958年以来62年的第58位获奖者，是首位华人获奖者。获奖词是：“为建立可重构机构领域和变胞机构子领域做出了开拓性与奠基性贡献”。在这之后，戴建生于 2023年获得了国际机器理论与机构学联合会的 IFToMM 卓越成就奖，为20年来的第15位。获奖词为：“在机构和机器科学（“变胞机构”）上取得了异常重要的成就，由此为国际机器理论与机构学联合会（IFToMM）领域以及机构学和机器科学下一代科学家们建立了新的研究方向”。之前的2015年，他获得了 ASME DED 机构与机器人最高奖，为41年来的第27位获奖者。
突发奇想产灵感，学科交叉促融合
开启变胞机构的研究，源于一个香水盒。1996年，戴建生在研究香水包装盒折叠形状时，突发灵感，在生物演变原理基础上，提出了变拓扑和变活动度的变胞机构。
“香水包装花样纸盒的造型能吸引不少消费者，但传统生产线做不到外包装的灵活装配，只能打包成四四方方的纸盒，稍微变一下造型和尺寸都不行。为提高生产效率，企业找到我，希望设计一款机器人——‘灵巧手’，安装在生产线上，实现香水花样纸盒不同造型的自动包装。”戴建生回忆到。“那时候，我办公桌上堆满了各种各样的纸盒，每天我都打开再折，折了再打开。边折纸盒边打开久了，我就想：为何不能用数学模型来描述这些‘花样纸盒’的轨迹？由于纸盒没有数学模型，我就提出映射方法，把纸盒映射为一个机构，折痕变成铰链，纸板变成连杆。就这样，铰链连杆机构出炉了。再之后，我给出了点线图和拓扑图，提出了各种矩阵变换以举证来描述这一机构。”戴建生说。
在戴建生的电脑上，记者看到了当年包装盒如山的办公桌和灵巧手的雏形。用他的话说：“变胞机构来自艺术启迪，生物学贯通，数学主导和实践融合。这里面既有设计学，生命科学和材料科学，也有数学和机器人学，不同学科相互交叉，诞生了改变人类进步的动力。
在南科大机器人研究院，记者还看到了变胞类人灵巧手、变胞足式机器人、仿生跨域六足机器人等各种发明。据戴建生介绍，全球大范围开展变胞机构研究时，中国偏重理论研究，他提出变胞机构理论后，开始琢磨如何将理论从平面应用到空间，使机器人结构更灵巧。于是，他瞄准了智能结构进化机器人这一方向。
“1992年提出智能结构进化机器人以来32年了，研究焦点始终停留在进化算法上，我们打算开辟一条新路，即在结构进化上下功夫，让机器人在结构上更接近自然界万物进化过程中所呈现的形态。”戴建生表示，“人工智能如何与机器人更好地结合？这离不开算法智能和结构智能的双向奔赴，如果两者都兼顾，那么就完全实现了人工智能在物理世界的应用，机器人研究也将上个新台阶。”
与常规机器人持有固定造型不同，变胞机器人可以用本体、躯、身实现各种各样的变化，更适应自然条件或工作需求，比如抢险救灾过程中越障、夹持抓举等。戴建生告诉记者，其团队正在研发变胞类人手和变胞多足机器人，其外型从节肢动物到爬行动物再到哺乳动物自由变化，有时可微小至毫米级，今年年底或明年有望推出。同时，不同造型和新产品也正逐步诞生。
目光锁定大湾区，钻研合作创共赢
机器人领域的研究，戴建生做了34年，其中在变胞机构与可重构领域的钻研就有二十余年。如今，他将目光锁定在粤港澳大湾区。用他的话来说，大湾区实现了“双赢”。
（除署名外图片均由戴建生院士提供）
南科大机器人研究院成立于2017年10月，立足大湾区，结合机器人前沿成果和粤港澳大湾区产业优势与战略布局，与国内外顶尖团队及企业合作，在仿生、变胞、软体、足式机器人等方向开展研究；在工业、建筑、医疗、智能制造等领域上，不断创建新理论，引领学科发展，解决难点技术，打造智能制造与机器人“双一流”学科。目前，研究院现已建立了3个省市级重点实验室，8个校企联合实验室，4名院士，41位教师涵盖5个学院和11个系。
“粤港澳大湾区给研究院发展带来了很大机遇，不但有国际辐射力，还聚集了一帮国际顶尖人才。”据了解，研究院现有核心研究成员41人，拥有麻省理工学院、斯坦福大学、英国伦敦国王学院、瑞士联邦理工、清华大学、中国科学院等国内外名校学习和工作经历。研究院依托广东省人体增强与康复机器人重点实验室、深圳市智能机器人与柔性制造重点实验、深圳市仿生机器人与智能系统重点实验室，利用高精尖技术平台优势，重视科技应用与成果转化，积极与国内外知名企业联合搭建机器人研究与教育平台，探索机器人教育与机器人产业发展深度融合的新模式。合作企业包括中建科技、大族激光、大寰机器人、优必选、大疆创新、华大基金、中兴、腾讯、比亚迪、迈瑞、柔宇科技等领军企业，累计建立22个校企联合实验室。“此外，我们还与香港理工大学在机器人抓持方面展开合作，与伦敦大学开展软体机器人研发方面的合作，与旧金山大学的教授在折纸技术上合作结合，与澳大利亚莫纳什大学开展农业机器人方面的研究合作。我们融入大湾区建设，大湾区又助力研究院的成长。有了这个平台，科研‘走出去’和‘引进来’不是问题。”戴建生表示。
具身智能机器人引领 AI 下一个潮流。在2023国家自然科学基金评选结果中，由戴建生团队牵头的聚焦 “机械设计、制造及服役中的科学问题（E05）”的智能结构进化机器人重点项目获批立项。地处改革开放的前沿城市深圳，机器人研究院的发展迎来了难得的历史机遇。未来，戴建生坚信，研究院不仅要立足粤港澳大湾区，更要力争引领相关研究冲向国际机器人研究的前沿。
（作者：深圳特区报首席记者 焦子宇）