生物机器人以及生物学、科学和工学之间前沿

作者:R 发表时间:2019-08-21 21:45:00 转载自:2019世界机器人大会

 

   

   Paolo Dario 先生是生物医学机器人教授,意大利比萨圣安娜大学生物机器人博士 项目主任、生物机器人研究院主任。他从比萨圣安娜大学获得了机械工程博士学位后, 在欧洲、美国和亚洲的各大学和科研机构担任客座研究员、教授、研究员。他目前的研 究方向是生物机器人和仿生学领域,包括外科手术机器人,用于内窥镜的微米、纳米设 备,生物学原理设备系统,辅助机器人和伙伴机器人。Paolo Dario 先生在国际出版物 (Scopus)上发表 330 多篇论文,2015 年被 IEEE 评为《机器人和自动化》杂志全 球第二最有影响力的机器人科学家。同时他还是 5 家初创公司的联合创始人,以及 50 多个国际专利的联合申请人。

Paolo Dario

这是我第五次来到世界机器人大会,见证了大会五年的进步,我也感到非常高兴。今天想和大家介绍一些关于生物机器人以及生物学、科学和工学之间前沿的东西。

    首先想澄清一个误解,“机器人”这个词是用错了。很多人认为机器人必须要有身体,其实机器人不一定要有身体。工厂使用机器人是非常现实的,无论是数据还是科学的角度都是切合实际的,但身体是一个实体的、物理上的词汇。在我看来,正确地考虑、分析机器人的情景,我们要知道机器人的实质是什么,机器的背后是科学和工学,所以自然以及生物学的词,不管是动物、大气、土壤、海洋,以及机器人真正的领域。

    当然,这种方法很多人都会遵循,尤其是人类历史上经常会遵循这种方法,但大多数情况下都是失败的,为什么?因为我们没有足够的知识、没有足够的材料、没有足够的能源,可以从很多生物系统当中提取出灵感,但是新的科技、新的技术、新的意识都出现了,研究者现在可以产生出不同新的智能进行机器人的研究。智能不光是AI,而是在身体、感官和连接当中,是在生物体当中存在的,最后智能是一个自我的行为。

    仿生学和生物学是新的机器人使用的前沿,也是加入AI的应用,所以这里讲的都是生物机器人和仿生机器人方面我的个人观点,我认为这一定是机器人最具有革命性的前沿。

    我来自芬奇镇,距离我自己的生物机器人研究所只有三十公里。达芬奇逝世已经有好几百年了,大家也在纪念他的诞辰,但是达芬奇仍然给了我们很大的灵感。当然,斯坦福也是一个非常有意思的生态系统,也在开展创新,但是里昂纳多达芬奇是一个科学家、工程师、艺术家,这是非常有意思的一个现象,也是非常现代的楷模。里昂纳多达芬奇找到了这样一个看法,就是建造了很多系统设备,很多都是从大自然当中获得灵感。自然要让运动发生在动物身上的话,不用给设备就会自然发生运动,但在机器上是不一样的。

    我自己在《科学机器人》杂志编辑委员会担任职位,指出了机器人学面临的很多大的挑战。个人认为大学的主要角色是培养人才,卢尔斯定律是非常可预测的,没有什么新奇的发展,但是有些颠覆性的、最不可预测的创新,谁能想像扎克伯格能够建立脸谱公司,或者谁能想到在脸谱公司工作,乔布斯、GoogleTwitter的出现没有人能够预测得到,这是不可预测的创新,而是可预测的创新。个人认为大学的决策非常重要,需要展望长期的未来,不是三五年的未来。

    我个人也尝试了一些对未来机器人学的尝试性预测,那就是从工业机器人到第二波服务机器人,然后到第三波革命化的、非常新的互联互通集成机器人,未来可能就是我们的预期,比如伴侣机器人,就像《我,机器人》电影当中出现的场景一样。

    科学是非常重要的,大家可能低估了这一点。现在诺贝尔得主是要做科学研究,也有这种远见和对未来的感觉,这种知识能够帮助开发很多消费品,市场上可以看到科学带来工程学的深度创新,现在已经深入千家万户,人工智能、机器人和仿生学也是非常重要的。生物机器人和仿生学不仅仅是动物或人,实际上在这里包含了很多大的范围,比如海洋和植物,这些生态系统元素非常重要,我们要通过他们理解并且解决当今世界的一些问题,然后把他们的原则用来开发医疗机器人、手术机器人、恢复机器人,或者是做生物医学机器人,并且可以开发人工器官和人工假肢。

    这些机器人不是使用在通用的领域,主要是用于做科学研究,当时我们感觉很疯狂,但在当今世界这种情况还是可以接受的。当然,有些机器人主要是用来解决实际的问题,比如这里列出我们自己做的研究所的一些研究。仿生学出现于1958年,目标是理解或者解释像生物一样的系统,可能是模仿一些自然的特点,但是有一个科学的研讨会去做相关的报告,当时研究的基础是比较简单的。这里提出的理念是机器不仅可以实际使用,而且可以右玉科学研究。

    仿生学出现的背景也是非常特殊的,因为当时处于冷战,美国和苏联有这样一个希望,就是将海豚或者鸽子用于间谍工具,当时有几年的时间是为仿生学提供了大量资金,后来有些投资下降,因为出现了一些问题,但我自己和一些同事是在1989年办了一个历史性的研讨会,就是关于新的仿生学的研讨会,包括福田教授和其他领军者都在场,的确是预测了机器人学的未来,讨论了非常根本的科学性问题,今天仿生学眼睛和耳朵已经在临床环境当中使用了。

    我们知道现在存在一个日益不断扩大的趋势,就是开发非常先进的器官,这些器官在体内是非常优雅的,虽然自主性还不够,但的确是仿生的器官,而且也有很多成功的案例。比如仿生学的假肢,几年前我碰到一个人有两个假肢,也有好几个孩子,几年前看到他就像一个健全人一样行走,这也体现了仿生学假肢的进展。生物机器人和仿生学的确是和工程学相关的科学,也进一步得到了认可,比如欧盟有非常强大的倡议,也被称为欧洲研究理事会的工作,资金达到两百亿欧元。

    我的一个同事是在生物机器人研究所,拿到了这样一个资金,可以做基础研究,也就是机器人学的基础科学研究,这也进一步证明了逐步的机器人已经认识到是一个科学领域,之前有发言人讲过,的确有传统的情况,但是科学机器人其实是有90.0Impact因子,这在《科学机器人》等等相关期刊当中是最顶尖的,而且也是很鼓舞人心的,就是对这种机器人的做法来说非常重要,而且我也参与了这项工作,曾经作为医疗机器人和仿生机器人的相关刊物主编,IEEE也参与了这项刊物的工作。

    我们可以把这些点联系起来,包括生物机器人的变化。首先是《科学机器人刊物》作为一个新的进展,而且我们也开始了一项新的课程,非常成功,就是仿生工程学,教育新一代的工程师,让他们了解或者知道今天我跟大家讲的内容和知识。之前我们讲到了内窥镜,但是要提醒大家这样一点,就是我们要了解生物界的行为,通过了解虫子的行为解决健康方面的重要问题,就是直肠切除手术,虽然非常重要,但是会造成很大的创伤。

    我们建设开发了一个无痛的直肠切除手术,现在已经在临床当中使用,也得到了美国药监局的认证,就是从生物和动物当中获得灵感。我们刚刚完成一个欧洲的项目,也是一个封装的做法,这不是严格的仿生学,具体的驱动是机械化的,但是采用的是无创的做法。大家可以看到传统的结肠镜检查力度是非常大的,但是封装的力度是很低的,也就是无痛的。之前李教授也有谈到,我自己担任一个团队的领导,是在北京理工大学引领团队做封装机器人。我们有非常宏大的目标,也希望解决癌症这样的问题,同时希望造福全世界。

    这是一个非常复杂的系统,比如很多驱动器接口,但是我们正在做检测。实际上非常有意思的是进入一个新的领域就可以开发和生产很多不同的知识,也可以和学生提出很多新的想法,不仅是在机器人领域,而且可以去做一些可调整的机器人。比如可以进入人体的机器人,这是麻省理工提出的方案,或者是属于某种电子鼻子,放在胶囊当中诊断癌症,这是未来的方向,也是要投资于微型的流体,进行微生物菌群的分析,然后看一看肠胃里面细菌的情况。

    我个人的梦想在八十年代是发展一些非常先进的假肢,就像电影《星球大战》里面的情景。作为工程师,我们总是想把梦想变成现实,需要理解问题然后开发出机器手,希望让元件变得更小更轻,同时有大量不同的传感器,实际上这是很多机器人都在思考的,包括替代性的应用都是越来越多。很多当时的学生都变成了教授,他们都建立了自己的公司和实验室,同时把这些非常有难度,很大胆的想法都在变成事实。

    这是一个植入性机器人,可以控制假肢,现在不光是机器人,接口也在进化,就是从中枢神经到技术的控制,神经科学、神经工学等等都是得以发展,就是去理解信号如何在变,也会开发出新的人工手臂。这种人工手臂不光是机械手臂,而且是构成人的神经系统的一部分的手臂,我们可以做这些工作,这是在《科学与自然》杂志上发表出来的一篇文章。这是一个真人,不光可以控制自己的假肢,也是整个项目的负责人,这个病人不光能够感觉到不同的材料,能够让有残疾的人重新自己行走,也就是使用机器装置,可以让盲人重新看到影像。

    下一步会出现什么?所有的这些都是关于很大的愿景,比如很像人的机器,或者是仿人机器人。应该由大学来做这些工作,大学必须要有伟大的梦想,也许未来二十年都实现不了,但是我们不能停下梦想的步伐。大学是教育的地方,所以首先需要教育人要有伟大的梦想,理解仿生学最基本的原则。这些不光是观察生物,我们想发展科学,所以要了解系统的不同在哪里,因为有多种多样的系统。这个领域和机器人有什么区别,对于机器人科学很重要,但是在工厂当中总是有结构性的环境,自然会有十亿百亿的结构,下面一定有共同的结构,能够把这些结构提取出来,用在机器上就是伟大的发现。

    我们可以从自然获取很多灵感,人形机器人复杂吗?还是太简单?对于机器人我们需要做的就是把问题简化,不是要把东西做得简单。最新的想法是环境的互动,认知也是来自于环境的感受,形态学和仿生学都很重要。这是一个非常智能、也非常有恢复力的机器人,模仿的是昆虫,或者是另外的一个机器人。

    我们刚才说过很多关于能源的能量,有的时候对能量的角色思考不足,为什么很重要?怎么管理能量和能源?怎么让系统更加有效和高效?我们不可能发明出浪费能源的机器,或者材料也值得思考,有没有什么新的材料可以用?也就是要有革新的理念,这种解决方案是非常令人印象深刻的,其实力学安排是非常简单的,用的都是比较常见的粉末,成本也是非常低的,软体机器人也很重要,都是一片一片的材料组成的。

    这是我的同事Shiva做的项目,想要理解八爪鱼怎么改变自己的触角角度,怎么通过这么少的神经元做出这么复杂的动作,用的就是所谓的Embody Intelligence,这些都是可以用于新的简化原则的机器人身上,比如桥接,事实上这些解决方法会产生巨大数量的应用场景。这是我们做的机器人在海底行走,也是由《国家地理》拍摄,手术上也可以使用,比如软体机器人可以用来做微创手术,通过软体机器人帮助人们的生活起居很重要。当然,通过控制和传感器都很重要,但是带有智能的机器人也很重要。

    大家可以看到软体机器人的世界是非常广阔的,有着巨大的潜力。这是《科学机器人》获奖的一篇关于软体机器人的文章,形态、挤压和抗压能力会形成新的领域。我们正在发明新的由植物启发的机器人,这是一个非常大的项目。

    我们面临的巨大挑战是非常多的,但是我个人的选择是这个,如果我们畅想一下机器人的未来,一定要去学习那些最优雅的动作,比如一个有激情的舞者或者一只猫的步伐,这些一定是最有挑战,并且最值得我们去研究的。就像达芬奇所说,意愿不是足够的,我们必须要动手去做。

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