“顶天立地”做科研，东大“智造”机器人闪耀太空

近年来，实验室主任、东南大学首席教授宋爱国带领的教师团队围绕载人航天与探月工程、核电安全工程、助老助残康复等领域的重大需求，长期开展遥操作机器人的前沿基础与关键技术研究。不久前，这个团队入选教育部第二批“全国高校黄大年式教师团队”，办公室里满墙的荣誉证书和奖章中，又增了闪亮的一笔。

“要做天上的科技，也要做民生的科技”

“传统工业机器人是在既定程序下重复精准作业，但面对复杂未知的环境，传统机器人达不到人类智力水平，因此需要将人的智力与机器人的适应性相结合，从而构建人机交互临场感遥操作机器人。”宋爱国向记者解释，例如在空间探测、深海开发和原子能利用等领域，常人难以到达极限环境，因此需要通过各种传感设备测量人肢体的运动信息，并作为控制指令去控制机器人的运动与操作；同时，再将机器人的视觉、力觉、触觉等各种感觉反馈给人，实现人与机器人的深度耦合，使身处异地的人产生“身临其境”之感。

自成立以来，团队始终围绕国家重大工程和民生工程开展研究。团队研制的航天员在轨操作力测量系统于2016年9月随“天宫二号”发射升空，研制的空间站大型机械臂在轨遥操作分系统和小型化高精度航天员在轨操作力测量系统于2021年4月随空间站天和核心舱发射升空，保障了我国载人航天工程任务的实施。为了应对老年化社会这一挑战，团队决定不仅仅要将机器人技术应用于航天、探月等领域，还要将它拓展到助老助残康复等国家重大工程与民生领域。

采访现场，记者亲身体验了面向偏瘫病人所设计的力反馈主动康复游戏、实时显示扎针位置和深浅的力反馈虚拟针灸系统等产品，同时也被可以通过“扭腰”来保持平衡的火星车、帮助空间机械臂精准定位的触须传感器等“奇思妙想”所折服。“做高科技研究，既要顶天，也要立地。”在团队成员眼中，“顶天立地”有着两层含义，一是瞄准行业顶尖，同时能够将前沿科技落地；二是既要做“天上”的科技，同时也要做民生的科技。

“我们的机器人研究事业，是用生命换来的”

1993年2月，宋爱国以博士生身份来到东南大学。在学习《机器人传感技术》课的第一天，导师黄惟一说：“我们实验室的机器人研究事业，是查礼冠老师用生命换来的！”那段话，至今让宋爱国记忆犹新，并一直激励着他。

1983年，全国第一次机器人大会在华南理工大学召开，研制了我国第一台仿人机器人的查礼冠教授作为大会的三个主要发起人之一，和黄惟一共同参加会议。会议刚结束，两人走在华南理工大学校园里，一辆失控的汽车撞倒两位老师，查礼冠不幸当场遇难，黄惟一重伤昏迷。一年后，刚刚康复的黄惟一重新把机器人传感与控制技术实验室建了起来，实验室从1986年开始得到国家“863”高技术计划的持续支持，并成为“863”计划先进制造领域机器人传感技术网点实验室的副组长单位。

“黄老师对于科学的态度也塑造着我们对于科学家精神的定义。”再苦再累，每个时间节点也必须按照规划好的完成，否则一旦出现失误，就会耽误整个工程。有一次，团队帮助航天中心测量航天员出舱的攀爬力。此前在实验室测试时一切正常，但一到现场安装后就出现很大误差，按捺焦虑心情反复分析，几天后，团队终于找到误差源头；在测量航天员操作力时，航天员在测试中一脚不慎将传感器踩坏，为了不耽误任务，团队紧急进行维修，同时也意识到传感器可靠性设计的重要。“科研过程中的每一次成功和失败都记忆犹新。若干年后，当重新审视这些过往，每一次失败其实都是对理论分析和技术研究的一次提升。”宋爱国说。

“渺小的星星，只有聚集起来才能闪耀太空”

经过20余年的基础研究和技术攻关，团队先后研制成功高精度的机器人六维力传感器、仿生柔性触觉传感器、小型化的力反馈执行器、高精度大空间六自由度力反馈手控器、力触觉感知数据手套等人机交互遥操作机器人核心元件或装置以及四种类型的遥操作移动机器人系统，并在我国载人航天与探月工程、核电工程等重要领域得到应用。

航天员在失重环境下，肌肉松弛会造成钙流失与肌肉功能退化，生物力学发生变化，肢体出力情况跟地面相差很大。所以，“神舟七号”出现过开舱门困难的情况。那么，人在失重环境下肌肉到底能产出多大的力？之前只有美国和俄罗斯有这个数据。受中国航天员科研训练中心的委托，宋爱国团队从2008年开始研制高精度的多维力传感器与航天员操作力测量系统，对空间站内航天员13种操作力、36种操作方式进行精确的力测量。

2016年9月“天宫二号”上天，团队的这一研究成果成功保障了“天宫二号”航天员的在轨训练任务。“遥操作”是月面巡视机器人（月球车）的四大关键技术之一，受航天五院和通讯与跟踪研究所的委托，宋爱国团队负责研制了两套地面模拟实验月面巡视机器人，主要研究月球车的遥操作控制算法和环境识别的感知系统，在“嫦娥三号月面巡视器”工程任务中立下汗马功劳。

“在科研的浩瀚星空中，每个人就像一颗渺小的星星，只有聚集起来才能闪耀太空。”采访过程中，宋爱国一直强调，如今的成绩是属于团队的每一位成员。“对于我们来说，进一步探索遥操作机器人技术实际上还存在许多挑战。”如何进一步加强人机交互？如何提升力触觉反馈技术？如何确保在太空、深海等复杂环境下，人机闭环通讯回路的稳定和低延时……切实解决重大技术问题，助推遥操作机器人技术走进千家万户，更深层更广阔的领域亟待探索。