盤點(diǎn)北京大學(xué)機(jī)器人領(lǐng)域前沿進(jìn)展，這些成果值得關(guān)注

近年來，機(jī)器人技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域取得了重大突破，為未來智能化社會(huì)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。本文將綜述北京大學(xué)幾項(xiàng)近期在機(jī)器人領(lǐng)域的重要研究成果，涵蓋了智能家居、深海探測、兩棲機(jī)器人、光伏清洗、具身人工智能以及醫(yī)療機(jī)器人等多個(gè)方向。這些創(chuàng)新性研究不僅推動(dòng)了機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步，也為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了新的可能性。        

一、智能家居機(jī)器人的新突破

北京大學(xué)、斯坦福大學(xué)與智源人工智能研究院的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)創(chuàng)新的三維具身圖文大模型系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠指導(dǎo)機(jī)器人操作各類家電家具，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的長程任務(wù)。

這個(gè)系統(tǒng)的核心在于將基于三維視覺的精準(zhǔn)幾何感知模型與擅長規(guī)劃的二維圖文大模型進(jìn)行結(jié)合。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地將基于三維視覺的GAPart技術(shù)引入了機(jī)器人的物體操控系統(tǒng)SAGE中。這一創(chuàng)新使SAGE成為首個(gè)三維具身圖文大模型系統(tǒng)，為機(jī)器人從感知、物理交互到反饋的全鏈路提供了全新的思路。

系統(tǒng)的一大亮點(diǎn)是其交互反饋機(jī)制。研究團(tuán)隊(duì)引入了一種機(jī)制，能夠在互動(dòng)過程中利用新獲得的觀測結(jié)果來更新感知結(jié)果并相應(yīng)調(diào)整操作。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們?yōu)榛?dòng)過程設(shè)計(jì)了一個(gè)兩部分的反饋機(jī)制。此外，為了解決首次觀測中可能出現(xiàn)的遮擋和估算錯(cuò)誤問題，研究者們提出了一個(gè)利用交互式觀測來增強(qiáng)操作的模型。   

這項(xiàng)研究的意義在于顯著提升了機(jī)器人在物體識別和操作方面的智能水平。SAGE系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了泛化的三維零件檢測和精確的位姿估計(jì)，克服了以往二維圖像模型在計(jì)算精度和推理能力上的局限。這不僅在決策層面增強(qiáng)了機(jī)器人的理解能力和問題解決能力，而且在執(zhí)行層面展示了基于GAPart位姿的強(qiáng)大物理操作能力，實(shí)現(xiàn)了對不同零件的泛化性操作。

這一突破性進(jìn)展為機(jī)器人在智能家居、家電操控等領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新的道路，向通用性和智能化邁出了重要一步。未來，這項(xiàng)技術(shù)有望在智能家居系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，為用戶提供更加便捷、智能的生活體驗(yàn)。

二、深水應(yīng)用的生物模擬驅(qū)動(dòng)技術(shù)

隨著深海探索需求的增加，開發(fā)能適應(yīng)極端水壓的高效水下機(jī)器人變得愈發(fā)重要。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)在深水環(huán)境中往往面臨性能受限的問題。為了提升能源效率和設(shè)備可靠性，北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院楊槐團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜的研究項(xiàng)目"打結(jié)人工肌肉用于生物模擬驅(qū)動(dòng)的深水應(yīng)用"取得了重大突破。

研究團(tuán)隊(duì)借鑒軟體動(dòng)物的肌肉機(jī)制，發(fā)展出了創(chuàng)新的"打結(jié)人工肌肉"技術(shù)。這種人造肌肉由三維打印液晶彈性纖維和加熱細(xì)線編織而成，采用獨(dú)特的分層編織結(jié)構(gòu)。通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究人員發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)可以提供更大的線性沖程、力速率和損傷耐受性。

這種打結(jié)人工肌肉展現(xiàn)出令人矚目的性能。在水下3000米深處，它能以1赫茲的頻率顯示出可靠的驅(qū)動(dòng)周期。研究團(tuán)隊(duì)通過推動(dòng)模型船的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步展示了其在實(shí)際應(yīng)用中的潛力。這項(xiàng)成果的意義在于解決了傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)在深海應(yīng)用中的局限性，為構(gòu)建輕量、智能、高適應(yīng)性的水下機(jī)器人提供了全新的動(dòng)力源。打結(jié)人工肌肉具有高效能量轉(zhuǎn)換、快速響應(yīng)、自我修復(fù)及生物相容性等多重優(yōu)勢，有望重塑深海探測設(shè)備的設(shè)計(jì)理念。

這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用前景廣闊，可能推動(dòng)深海科研、資源勘探、環(huán)境保護(hù)乃至深海救援等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)跨越。隨著材料科學(xué)與仿生工程技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，打結(jié)人工肌肉有望實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的生產(chǎn)與更廣泛的應(yīng)用場景拓展，為深海探索和開發(fā)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

三、多模態(tài)軟體兩棲機(jī)器人的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

在兩棲機(jī)器人領(lǐng)域，軟體機(jī)器人因其能夠主動(dòng)或被動(dòng)地根據(jù)周圍環(huán)境調(diào)整自身形態(tài)，以及具有固有柔順性的獨(dú)特優(yōu)勢，展現(xiàn)出了巨大的潛力。然而，在實(shí)現(xiàn)高機(jī)動(dòng)性和多地形適應(yīng)能力方面，軟體兩棲機(jī)器人仍然面臨著巨大挑戰(zhàn)。北京大學(xué)工學(xué)院謝廣明教授團(tuán)隊(duì)的研究人員在這一領(lǐng)域取得了重要突破。

受果蠅幼蟲和海蛞蝓獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)模式啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于塑料片增強(qiáng)的薄膜氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的軟體兩棲機(jī)器人。這款機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)核心是由四層薄型氣動(dòng)執(zhí)行器組成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。研究人員對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了創(chuàng)新性改進(jìn)，在兩個(gè)腔室之間嵌入了一片不可拉伸的塑料片。這一設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了對執(zhí)行器彎曲形態(tài)的限制，顯著提升了機(jī)器人的輸出扭矩，還能在機(jī)器人身體彎曲時(shí)儲存能量，有助于機(jī)器人在隨后身體展平時(shí)實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的跳躍距離。

這種將柔軟薄膜與半剛性塑料片相結(jié)合的設(shè)計(jì)理念，為機(jī)器人提供了執(zhí)行連續(xù)跳躍和游動(dòng)所需的靈活性與強(qiáng)度。通過身體交替的彎曲和展平動(dòng)作，該機(jī)器人在陸地上實(shí)現(xiàn)了最高移動(dòng)速度1.77BL/s，而在水中則達(dá)到了最高游動(dòng)速度0.69BL/s，其性能均超越了現(xiàn)有的軟體兩棲機(jī)器人。

研究團(tuán)隊(duì)還借鑒了果蠅幼蟲的跳躍機(jī)制來優(yōu)化機(jī)器人設(shè)計(jì)。通過觀察果蠅幼蟲的彎曲狀態(tài)，研究人員發(fā)現(xiàn)其尾部曲率大于頭部曲率的獨(dú)特結(jié)構(gòu)保證了向前的跳躍運(yùn)動(dòng)。基于這一發(fā)現(xiàn)，研究人員在機(jī)器人設(shè)計(jì)中加入了一對側(cè)鰭，用來限制機(jī)器人頭部彎曲。這一設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)確保了在身體彎曲時(shí)，機(jī)器人能夠尾部與地面充分接觸，從而幫助其實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定地向前跳躍。

這項(xiàng)研究的軟體兩棲機(jī)器人設(shè)計(jì)展現(xiàn)出卓越的多地形適應(yīng)性和多樣化運(yùn)動(dòng)能力，顯著提高了機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的機(jī)動(dòng)性和靈活性。它能夠有效適應(yīng)斜坡、障礙、臺階以及不同質(zhì)地的地面如泥地、沙地和礫石等，使其能夠在多變的地形中執(zhí)行任務(wù)。這一特性對于搜索與救援、戰(zhàn)場偵察和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域具有重要意義。   

此外，該機(jī)器人展現(xiàn)了多種運(yùn)動(dòng)模態(tài)，包括在陸地和水生環(huán)境中的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、自翻等動(dòng)作，增加了其適用場景和操作復(fù)雜度。高跳躍速度和游泳速度指標(biāo)表明了其優(yōu)越的運(yùn)動(dòng)效率，突破了以往軟體兩棲機(jī)器人的速度限制，為未來高速、高效軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了新的視角和技術(shù)參考。

四、智能光伏清洗解決方案

隨著太陽能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，光伏板的清洗維護(hù)問題日益凸顯。傳統(tǒng)的人工清洗方式存在諸多問題，包括成本高、周期長、效率低、水資源浪費(fèi)嚴(yán)重等。此外，人工操作時(shí)易受力不均勻影響，容易導(dǎo)致光伏電板刮痕或隱裂。特別是在水洗過程中，無法精確掌控水壓變化，高水壓雖然有助于提高清洗效果，但也可能對光伏電板造成不良沖擊。

為解決這些問題，北大智慧城市實(shí)驗(yàn)室提出了采用D2PV智慧終端及兩棲光伏清洗機(jī)器人的創(chuàng)新解決方案。這一方案不僅提高了清洗效率，降低了維護(hù)成本，還能夠避免傳統(tǒng)清洗方式可能導(dǎo)致的光伏電板損害和安全風(fēng)險(xiǎn)。

D2PV智慧終端的設(shè)計(jì)包含了多項(xiàng)創(chuàng)新功能。首先，它能夠收集光伏板的性能數(shù)據(jù)，如電壓、電流和溫度。這些數(shù)據(jù)有助于實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，為優(yōu)化和故障排除提供基礎(chǔ)。其次，通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，使用戶能夠隨時(shí)隨地查看太陽能系統(tǒng)的狀態(tài)，提高了系統(tǒng)管理的靈活性和便利性。   

此外，D2PV智慧終端還具備性能優(yōu)化功能，能夠自動(dòng)調(diào)整設(shè)置以最大化能源產(chǎn)出，可能包括調(diào)節(jié)光伏板的角度、管理電池存儲等。這有助于提高太陽能系統(tǒng)的整體效率。最后，它還具備故障診斷功能，能夠識別系統(tǒng)中的問題并發(fā)出警報(bào)，使運(yùn)維人員能夠及時(shí)采取措施，降低維護(hù)成本和系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間。

與D2PV智慧終端配套的兩棲光伏清洗機(jī)器人則進(jìn)一步提升了清洗效率和質(zhì)量。這種機(jī)器人能夠適應(yīng)不同的光伏板安裝環(huán)境，無論是地面還是水上光伏電站，都能夠進(jìn)行高效清潔。它采用精確控制的水壓系統(tǒng)，既能確保清洗效果，又能避免對光伏板造成損害。

這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用不僅局限于光伏領(lǐng)域，還延續(xù)了無人機(jī)在建筑清洗領(lǐng)域的成功經(jīng)驗(yàn)。隨著對自動(dòng)化和智能化解決方案的需求不斷增長，這種多用途和全面化的技術(shù)演進(jìn)為無人機(jī)在未來多個(gè)行業(yè)中的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并有潛力進(jìn)一步推動(dòng)整個(gè)無人駕駛技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

五、具身大模型在機(jī)械臂控制中的應(yīng)用

人工智能和機(jī)器人技術(shù)的融合一直是研究熱點(diǎn)。北京大學(xué)董豪團(tuán)隊(duì)最新發(fā)布的具身大模型研究成果"ManipLLM"在這一領(lǐng)域取得了重要突破。這項(xiàng)研究探索了大語言模型在控制機(jī)械臂完成各種日常物體操作方面的潛力，實(shí)現(xiàn)了僅通過一張物體圖片就能指導(dǎo)機(jī)械臂完成復(fù)雜操作的目標(biāo)。

ManipLLM的核心創(chuàng)新在于利用大語言模型的推理和面對開放世界的泛化能力，成功提升了模型在物體操縱方面的泛化能力。與傳統(tǒng)方法不同，ManipLLM致力于探索和激發(fā)大語言模型在預(yù)測低層原子任務(wù)的能力，從而實(shí)現(xiàn)對更多類別物體的以物體為中心的通用操縱。

研究團(tuán)隊(duì)通過設(shè)計(jì)了三個(gè)學(xué)習(xí)階段來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。首先，他們利用大語言模型的推理能力來解析任務(wù)指令，并生成相應(yīng)的操作計(jì)劃。其次，系統(tǒng)將這些計(jì)劃轉(zhuǎn)化為具體的操作點(diǎn)和方向，直接在物體圖像上進(jìn)行預(yù)測。最后，通過一個(gè)無需學(xué)習(xí)的閉環(huán)主動(dòng)式阻抗適應(yīng)策略，系統(tǒng)能夠完成完整的操縱過程。

這種閉環(huán)主動(dòng)式阻抗適應(yīng)策略的應(yīng)用是ManipLLM的另一個(gè)重要?jiǎng)?chuàng)新。在獲得初始接觸姿態(tài)的輸出后，系統(tǒng)利用這一策略來不斷微調(diào)末端執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)方向，從而靈活地適應(yīng)物體的形狀和軸向，逐步完成對物體的操控任務(wù)。具體來說，系統(tǒng)會(huì)在當(dāng)前方向的周圍加入一些微小的變化，生成多個(gè)可能的移動(dòng)方向，然后嘗試每個(gè)方向，選擇能讓物體移動(dòng)最遠(yuǎn)的方向作為下一步的移動(dòng)方向。

ManipLLM的研究成果具有重要的理論和實(shí)踐意義。它將大語言模型的推理和泛化能力引入機(jī)械臂控制領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了對各類日常物體的精確操控。這一技術(shù)不僅顯著提升了模型在未知環(huán)境中的泛化能力，還展現(xiàn)了其在多樣化任務(wù)執(zhí)行中的出色表現(xiàn)。

此外，ManipLLM簡化了人機(jī)交互過程，使得非專業(yè)用戶也能輕松指導(dǎo)機(jī)械臂完成任務(wù)。這為智能機(jī)器人在家庭服務(wù)、醫(yī)療輔助和災(zāi)難救援等潛在應(yīng)用場景中的應(yīng)用開辟了新的可能性。   

這項(xiàng)研究推動(dòng)了智能機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展，為智能機(jī)器人與人類生活更緊密結(jié)合提供了新的道路和技術(shù)基礎(chǔ)。未來，基于ManipLLM的技術(shù)有望在各種需要精確物體操控的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，從而提高工作效率，改善人機(jī)協(xié)作體驗(yàn)。

六、醫(yī)療機(jī)器人在微創(chuàng)手術(shù)中的應(yīng)用

在醫(yī)療領(lǐng)域，機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用正在不斷拓展，特別是在復(fù)雜的微創(chuàng)手術(shù)中。北京大學(xué)李學(xué)松教授領(lǐng)導(dǎo)的上尿路修復(fù)團(tuán)隊(duì)最近發(fā)表了一篇關(guān)于三維重建導(dǎo)航輔助機(jī)器人輸尿管成形術(shù)治療腔靜脈后輸尿管的研究文章，為這一罕見先天性發(fā)育畸形的治療提供了新的解決方案。

腔靜脈后輸尿管是一種罕見的先天性發(fā)育畸形，輸尿管沿下腔靜脈后方繞行再回到正常位置，可引起輸尿管梗阻和腎積水。傳統(tǒng)的手術(shù)治療非常具有挑戰(zhàn)性，需要對下腔靜脈的后方和側(cè)面進(jìn)行廣泛且精細(xì)的解剖工作，稍有不慎可能造成大出血。

李學(xué)松教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)的三維重建導(dǎo)航輔助機(jī)器人輸尿管成形術(shù)為這一復(fù)雜手術(shù)提供了創(chuàng)新的解決方案。這項(xiàng)技術(shù)結(jié)合了三維重建、導(dǎo)航系統(tǒng)和機(jī)器人手術(shù)的優(yōu)勢，大大提高了手術(shù)的精確性和安全性。   

研究團(tuán)隊(duì)詳細(xì)展示了該項(xiàng)手術(shù)的具體技術(shù)細(xì)節(jié)，包括患者體位、trocar布局和機(jī)器人對接位置，以及腔靜脈后輸尿管的定位、游離、離斷和體內(nèi)吻合等步驟。這些詳細(xì)的技術(shù)說明為其他醫(yī)療機(jī)構(gòu)開展類似手術(shù)提供了寶貴的參考。

更重要的是，研究團(tuán)隊(duì)通過分析不同手術(shù)類型的臨床數(shù)據(jù)和隨訪結(jié)果，證明了三維重建導(dǎo)航輔助機(jī)器人輸尿管成形術(shù)治療腔靜脈后輸尿管的安全性和可行性。這一結(jié)論為該技術(shù)的臨床推廣奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用意義重大。首先，它為腔靜脈后輸尿管這一罕見疾病的治療提供了一個(gè)安全、有效的新選擇。其次，該技術(shù)的成功應(yīng)用展示了機(jī)器人輔助手術(shù)在復(fù)雜泌尿系統(tǒng)手術(shù)中的潛力，為其他類型的微創(chuàng)手術(shù)提供了借鑒。最后，這項(xiàng)研究為世界范圍內(nèi)的上尿路修復(fù)醫(yī)生提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和參考，有助于推動(dòng)這一領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。

隨著技術(shù)的進(jìn)一步完善和推廣，三維重建導(dǎo)航輔助機(jī)器人輸尿管成形術(shù)有望成為治療腔靜脈后輸尿管的標(biāo)準(zhǔn)方法，為更多患者帶來福音。同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)的成功也為機(jī)器人在其他復(fù)雜微創(chuàng)手術(shù)中的應(yīng)用開辟了新的道路，推動(dòng)了整個(gè)醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展。