媒体报道
南方都市报:装上他的“电子背包”蝗虫蟑螂秒变搜救帮手
90后海归李曜带领团队开发世界上首个具有跳跃能力的生物机器人
发布时间:2023-05-24 09:18:32 817

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李曜聚焦生物机器人系统研究。

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生物机器人是“生物+电子设备”的结合体。

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蝗虫和它的“电子背包”。 (受访者供图)

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“背包虫”大军可以灵活穿行于各种狭小空间,不存在电力焦虑,未来或会成为地震、火灾等灾后搜救、环境探测的重要帮手。

——哈尔滨工业大学(深圳)机电工程与自动化学院副教授、博士生导师李曜

影视文学作品中的人物有时开启超能力变为昆虫,利用娇小的身躯轻松完成各类复杂环境中的侦查工作。当下,蟑螂、蝗虫、甲虫等能被远程驾驭,成为我们的小帮手吗?

一个来自深圳的奇思妙想科研团队,就给蟑螂、蝗虫、甲虫背上“电子背包”遥控它们行走跳跃飞行,让昆虫成为搜救探测的小帮手。目前,哈尔滨工业大学(深圳)“90”后青年科学家李曜聚焦生物机器人系统研究,带领团队开发了世界上首个具有跳跃能力的生物机器人。

经历上百次失败后 跳跃生物机器人成为现实

给昆虫加上“电子背包”,就能控制其行动轨迹,这个“电子背包”有何特别之处?李曜介绍,“电子背包”实际上就是给昆虫肌肉施加电信号的电子设备,研究人员通过“电子背包”给昆虫施加电信号,从而控制生物机器人的行动轨迹。

2019年,李曜在直博新加坡南洋理工大学并完成博士后研究工作后,来到哈工大(深圳)开展生物机器人研究工作。那时,微型跳跃机器人领域长期存在着微致动器驱控困难、落地稳定性不足等难题,而他创新性地开发出基于蝗虫后足的生物驱动器,利用电刺激触发蝗虫后足肌肉“共收缩”,该过程就是控制蝗虫高性能跳跃的关键。

明确了方向,李曜带领团队一步步地实验探索。电极应该放在蝗虫哪块肌肉上?电信号输出什么样的参数效果最好?两块肌肉的持续运动怎么样设计,才能让跳跃成功率更高?研究初期,李曜带领团队花了很多功夫摸索各种可能性。

“之前边实验边失败,我们也一直在怀疑,团队的猜想到底能不能实现?”李曜平静地说,在成功之前,团队可能已经失败了上百次。

但偶然有一次,实验中两个电极的配合刚好能让蝗虫完成一次共收缩储能。“看着蝗虫实现了一次快速踢腿反应,那个瞬间我们是非常兴奋的。这说明我们的猜想没错,我们可以实现对蝗虫的踢腿、跳跃实施控制。”

在此基础上,李曜为蝗虫定制了给肌肉施加电信号的电子设备——“电子背包”,将其开发为微型跳跃机器人,实现了远程跳跃控制。这个具有驱动性能高、落地可靠性好等特点的机器人,也成为世界上首个具有跳跃能力的生物机器人。此外,李曜将创新思维应用在生物机器人飞行控制研究中,开发了基于甲虫的微型飞行机器人,首次实现生物机器人飞行轨迹反馈控制。

研究获得突破,李曜的研究成果多次发表在机器人学顶级期刊,受到了国内外知名媒体的关注。他累计发表学术论文20余篇,授权国家发明专利10余项,先后被评为哈工大(深圳)青年拔尖人才,并入选2022年度Elsevier全球前2%顶尖科学家榜单。前段时间,共青团广东省委员会公布2022年“广东向上向善好青年”名单,全省100名优秀青年获此称号,4名深圳师生榜上有名,其中就有李曜。

提升空间探测能力 为灾后搜救提供多一分希望

昆虫“打工人”,同样值得尊重。给昆虫装上“电子背包”,会对它们造成损伤吗?李曜介绍,为了验证实验可能造成的昆虫肌肉损伤问题,他们曾连续做了14天的实验,发现昆虫肌肉组织在14天内都没有出现任何的损伤。“我们可以得出结论,相关实验是不会对昆虫造成不可逆转损伤的。”

相较于传统微型机器人,生物机器人有哪些优势?李曜介绍,不同于传统微型机器人,生物机器人是“生物+电子设备”的结合体。生物机器人具有高机动、长续航、大负载等特点,能够解决一些传统微型机器人不能解决的难题。

来深圳之前,李曜的生物机器人研究偏向于甲虫的飞行控制。目前,李曜团队机器人研发方向包括生物机器人、微型机器人和水空两栖机器人。短期内,该团队会把人工微型机器人系统优势跟生物机器人系统做结合,建立融合机器人系统。

科学研究的价值,在于更好服务社会。未来,生物机器人有哪些具体的应用场景?李曜表示,未来生物机器人在灾后搜救、环境探测中发挥作用的优势明显。如,强烈地震导致人员被困在坍塌建筑中时,可以利用生物机器人携带摄像头及传感设备进入狭小空间,寻找幸存者、确定伤员位置及探测周边环境,为展开人员施救提供更多可能。“地震救灾就要争分夺秒,早一秒找到幸存者,就多一分救援希望。”

一项科研成果的实用性转化,需要经历无数次实践验证与完善。为了丰富生物机器人测试场景,李曜来到深圳市福田区竹子林消防救援站开展测试。一台电脑、一台信号传收器、一个生物机器人,就组成了“环境探测小分队”。在竹子林消防站装备技师范树荣指导下,消防指战员们为李曜团队模拟搭设了一个相对复杂的环境空间。

“我们现在用于救援的音视频摄像头存在灵活性不强的问题,直下直上不能转弯,不能像生物机器人那样可以让我们看到更多复杂区域。”范树荣对李曜团队研发的生物机器人颇有兴趣,同时也对产品实用性设计提出建议。“在现场观看过科研团队的测试后,很期待这款生物机器人能够尽早投入各项救援当中。”

聚焦

“深圳科研工作效率非常高”

李曜出生在山东省东营市,因为父亲是一名工程师,他从小就接触到机械设计环境。“父亲的影响是潜移默化的,我从小对机械感兴趣。”本科时,他就读于华中科技大学机械类启明创新班,之后,凭借在本科期间的优异表现申请了新加坡南洋理工大学的直博项目,进入博士阶段机器人相关研究学习。  

把勇于攻关的精神传承下去  

“看到国内近年来取得的科技突破我备受鼓舞,立志助力国家科技发展。”李曜表示,在选择出国读博时他就已经规划好了“要回国工作”,并且这一想法“从未动摇”。目前他带领团队重点研究的方向,还包括生物机器人的集群智能技术。“我们的研究已经实现了‘从0到1’,接下来会继续开展从‘1到N’的研究。希望利用多个生物机器人协作提高工作效率,解决当前单一机器人负载与运算能力不足的问题。”

作为哈工大(深圳)机电工程与自动化学院副教授、博士生导师,在科研上一路“闯关”的李曜,心中有一个坚定的愿望,那就是把这种勇于攻关的精神传承下去,培养更多创新型科技人才。

“我相信在不久的将来,中国会是第一个将生物机器人应用于救援的国家。”  

对新技术非常开放的城市  

谈及当初为何选择来到深圳工作,李曜表示,深圳是一座对新技术非常开放、对不同的想法非常包容的城市,这里汇聚了各行各业的精英,科研工作效率非常高。“深圳对青年科研人员的支持力度比较大,科研环境也比较开放,鼓励开展创新性的研究,这是比较吸引我的点。”

采访中他特别提到,有一次团队向企业提出加急生产器材需求后,企业加班加点,一天就做出来了。“企业当晚做好器材,为了确保能在第二天送到我们手里,他们甚至都没有走快递途径,直接开车送货上门。”李曜不由得感慨:“器材送到我们手上时都快凌晨了,深圳企业的服务效率真高!”

此外他表示,哈工大(深圳)给予青年教师的科研启动经费比较充足,这些经费使用起来比较方便,这为他顺利开展科研并成功取得成果提供了很大帮助。  

荣获“广东向上向善好青年”  

对于荣获“广东向上向善好青年”这一称号,李曜说,这既是莫大鼓舞更是全新起点。今后,他将继续发挥科研创新精神,为经济社会发展作出更大的贡献,以实际行动践行青年风采与青年担当。

对于青年教师取得的重磅荣誉,哈工大(深圳)机电工程与自动化学院副院长徐文福表示,李曜是学院近年来涌现出的众多优秀青年教师之一。“学院始终把助力青年教师成长摆在重要位置,通过集体研讨、以老带新等形式助力青年教师在教学、科研等方面快速成长,为青年教师创造更多承担或者参与国家重要项目的机会。”

采写:南都记者 伍曼娜

摄影:张子珊 常乃天(除署名外)