【WRC 大咖观点】刘连庆《可控型类生命机器人》

编者按：

2022世界机器人大会主论坛群星璀璨，产、学、研各领域大咖齐聚首，共话巅峰，为机器人未来发展领航。

峰会现场，中国科学院沈阳自动化所副所长刘连庆发表了题为《可控型类生命机器人》的演讲。以下为刘连庆演讲内容的整理。

各位老师、各位同学：

大家下午好！

我来自中国科学院沈阳自动化所，从2014年第一届世界机器人大会开始从来没有间断过，今天非常感谢组委会给我一个机会在主论坛向大家介绍工作，也向各位老师学习。

我报告主要包括五部分，首先介绍一下中国科学院沈阳自动化所，它是我们国家最早研究机器人单位之一，中国第一台工业机器人、水下六足机器人和步行机器人和核工业机器人都是在沈阳自动化所诞生的，在此邀请感兴趣老师和同学莅临沈阳自动化所指导工作。近几年沈阳自动化所取得重大进展，作为国家重大科技成就代表参加了改革开放40周年的成就展，2018年入选了习近平总书记新年贺辞，过去5年也3次入选两院院士评选科技进展，昨天习近平主席到沈阳之后，到了我们所下属的新松公司给予指导和关怀。

今天我讲的机器人和我放的机器人不太一样，刚才各位老师讲了很多和医工结合，我这个也有点医工结合的味道。

机器人发展离不开载体材料变化和仿生机理进步，最早工业机器人是基于金属材料，是简单手臂的仿生，为物质文明发展起到巨大推动作用。今天载体材料一次跃迁，比如碳纤维、界定弹性体，包括仿生机理出现软体机器人，无论是工业机器人还是软体机器人，他们更多体现机器的属性，我们希望更多体现人的属性，就是刚才李院士讲机器—人。有人属性是柔性、湿润、生长，我们理念是生命系统和机电系统的融合。为什么要融合？基于仿生学发展历经几十年，如果大自然存在我们发现一直在模仿从未被超越，因为大自然亿万年进化已经让生命系统趋于完美。

为什么会有这种情况？我们现在研究机器人的理念是Top—Down方式，先有本体设计再选电机，更多是硬件和软件相分离。而生命系统是从小到大过程，生物分子到细胞膜到细胞到组织，硬件和软件是系统发展。具身智能只有在生命系统里存在。我引一个崔研究员和郑南宁院士两个PPT我合了一下，如果人体肌肉有600个，每一个肌肉只有伸长和缩短，弹指一挥间是2的600次方控制，对于人体神经系统一刹那不用思考能够实现，这导致莫拉维克悖论，困难问题是简单，简单问题是困难的。我们的想法是在仿生学更进一步，很多仿生学大咖都在，我们想在仿生学基础上不进行形态模仿、功能模仿，而是通过生命系统和机电系统在分子细胞尺度融合做出新一代机器人，我们给它起名字叫类生命机器人。

我下面简单介绍一下我们最近的工作进展，其实类生命机器人看似提了新名词，早在70年前诺伯特·维纳写了一本书，副标题关于在动物和机器中控制和通信科学的问题，大概是生命系统和机电系统融合的意思。还有一个电影大家感兴趣可以看一下，是Google齐点大学校长拍了一部电影写了一本书，名字是《When Humans Transcend Biology》。右边展示是几个现在已经存在赛博格的人，他们把电子器械植入到身体里，这种融合还是一个比较粗狂一些的融合，而我能做是在细胞和分子尺度。

机器人三要素是感知、驱动和智能，现在全部是机电系统，我们要做的是把感知变成生命感知，智能变成神经涌现，驱动变成肌肉，我简单介绍一下三个方向的进展，首先是感知。传感是机器人不可逾越重要问题，这里以红外感知作为一个例子。传统机电系统做红外感知依靠半导体，如果学过大学物理知道普朗克定律，光子打过来让电子产生跃迁，然后产生电流进而实现检测，半导体搀杂是非常复杂工艺，并且要想获得高性照比，要有非常大的冷却系统，即便如此也只能做到0.01k。生命系统完全是不一样的原理，我以响尾蛇为例，响尾蛇感受红外是依靠离子通道触发，非常小在眼睛下方有一毫米蛋白，就能实现红外感知，无需冷却在常温场景下做到千分之一分辨率，如果把这种机理放到机器人上，那将使机器人感知性能得到极大地提升，我们要做的是通过生命原理和机电系统融合实现红外感知。红外感知原理，去年刚刚获得诺贝尔生物学奖是TPRV1，大家能感觉热和辣都是TRP，有光就有热，TRPV1通过热敏感感受红外。合作伙伴成都生物所、上海药物所、科大在机理做了非常多研究，跟大家简单说一下，响尾蛇有四只眼，像中国神话小说二郎神有三只眼。成都生物所做过实验，把响尾蛇双眼蒙上之后，它依然能够精准地捕猎，就是在它眼睛下方夹窝处，有两个能够感受红外的受体叫Triple one。所以我们做的是把Triple one转染到模式细胞上，对细胞功能化，相应检测，我们是搞自动化的，还有反馈闭环，在反馈调控和优化，让功能细胞更加灵敏，让它能够感受到红外离子通道的触发。

生命系统和机电系统融合离不开机电系统，现在机电系统比较大，因为我们现在只能做一个细胞，一个细胞是一个像素，我们很难做到几千万个像素在一块。我们用机电系统做了单像素沉淀装置，有了它以后，外围全是机电系统，中间敏感单元是一个活体细胞。有了它之后，我们可以用活体细胞对红外进行成像，也可以对可见光，这幅图虽然不是那么清晰，但是我想它的意义在于什么呢？不是用手机感受红外，而是用活体细胞感受红外。所以生命会进化，细胞通过和生命科学深度结合也可以进化，这样未来有可能做出比响尾蛇更加灵敏类生命感知器件，这是我想跟大家分享第一块类生命感知。

第二我讲一下类生命驱动。驱动刚才好多老师讲了和机器人相关内容，一会儿还有四足仿生机器人论坛，无论哪种驱动方式，只要是机电就是复重比小，工业机器人100公斤能举起100公斤重物，1：1顶天了，并且都是用电能到机械能，转化效率低。右下角是我们所做水下机器人，大概8米长，一半以上都是电阻。再看生物界，蚂蚁可以举起来比自己大400倍的重物，生物到机械转化能力高，全部是ATB、AGB粗丝细丝等，我们能不能把细胞拿出来做驱动器，像跟人做手腕一样做人造机械手臂，有血有肉。但是刚刚起步的时候，我们选择了一个相对简单的，我们先做一个小驱动器，依然面临很多困难。如果用传统机器人用全部是电阻电容机械电子器件，它物性单一机理明确，我们测试设备也很齐全，示波器、万用表等等，但是当变成生物细胞物性复杂、机理不明，我们缺检测装置、建模方法、操控手段，一步步来，我简单介绍一下我们为了克服这些困难做了一些工作。

第一是怎么样获得细胞各种生理状态，我们可以用压的来测，我们发展了蹦蹦床一样，让细胞放在可以控制机械振动载体上，细胞大家可以想象成一个水球，水球在可控激励薄板跳动，可以把粘弹性、机械弹性、硬度测量出来。具体过程和建模我略过去。还有一个很重要是细胞到底是有源还是无源，生物学家做细胞研究用线弹性模型认为是无源的，我们知道细胞和身体有很多能量转换，一定是有源的，所以在这个工作里把线弹性变成了粘弹性，把无源变成有源建了细胞模型，这是建模过程和测试结果。这是实验结果，有实验数据和仿真数据，通过检测和建模，有一个可以用的模型，实测模型和仿真数据基本吻合，为细胞放在一起做可供应驱动器奠定基础。做驱动器不可能一个细胞实现，要很多细胞汇聚在一起才可以，怎么把细胞汇聚到一起再慢慢生长。传统方法有很多，其中比较典型是光镊，把光汇聚到一块，用动量守恒定律，通过光子撞击在物体上产生作用力和反作用力实现操控，为了实现比较大操控力往往需要比较大的光强，直接由光能到机械能。光强大很容易把生物细胞杀死，我们把这种技术基础发展为光电镊，从光能到电能做到机械能，通过加入电之后，光强是光镊的百分之一，但作用力大小是一样的。你把光打成什么样的形状，力就是什么样的形状，可以做单点操作，我们可以诱导水凝胶，我们把水凝胶和细胞放在一起，就能够实现细胞的固化。如果看过《变形金刚》都知道我们叫能量块，可以把细胞打成任何尺寸、任何形状。有了它之后可以像摆俄罗斯方块一样，每一个形状代表不同种类细胞，我们可以把机器人模块式自由组装在一块，想让它产生什么运动打成什么样的构型。有了这个技术之后，我们做出来几种小驱动器，能爬、能游、能走。最大特点是什么？不是机电装置，是一团肌肉系统细胞系统混合在一起类生命混合体。电脉冲可以实现速度控制，并且不需要任何优化，就已经比机电系统有20倍高负重比，并且持续优化空间大。我们现在在做大尺寸，希望能打出来手臂一样大小，这样对今天工业机器人和其他方方面面操作机器人，可能会有比较大的改变。

最后简单讲一下类生命智能，机器人离不开智能。今天讲了很多智能，刚才孟院士也讲了数据标记，其实今天人工智能是先有人工再有智能，有多少智能就有多少智能，是从数据输入输出获得智能，全部是数字的信号。反观生命系统，它是一个数模混合的信号，在大脑里传递的时候，长程用数字信号，短程用模拟信号，造成今天人工智能和生物质能有典型区别，并且生物智能有一个很大特点，不是基于数据，是基于运动、基于动作。大家看到小孩子学东西，会发现他不断尝试一个东西，尝试完会掌握这种技能。今天数字计算和人工智能基本是专用人工智能，会下象棋下不了围棋，会下围棋打不了牌，但通用智能是个途径。生物神经元是目前唯一可以产生高级认知功能基本单元，并且动作是塑造神经元产生智能的关键。跟大家说一声，我们跟神经发育学家聊天，中国有句话叫江山易改本性难移，他们说10岁之前小孩刚生下来大脑连接是无序的，10岁之后这种结构基本上固定了，这种固定是靠人在不断和环境交互过程中重新塑造了大脑。

两个基本观点，第一智能是不是一定是硅基，通过神经元能不能产生更好智能；第二把动作引领过来，不仅是数据到数据，是动作到动作，很荣幸跟乔红教授团队合作，今年申请一个项目就是做这方面的研究。

我强调动作，有很多人认为动作不是智能，所以我找了神经元崔研究所的图，他说智能有三个层次，包括perception，梵高怎么做画；包括cognition，我们怎么做，还有一个很重要是action，中国叫心灵手巧，所以action是很重要，机器人最主要特征是有动作能力的运动载体。

我们做什么呢？让大家看一下，动作和运动有多重要，这是一只乌鸦，这是清华大学张老师给我的一段视频应该是在BBC上，非常聪明。如果让机器人学会这种技能需要多长时候、需要多少天、需要多少年，因为有动作，又是基于探迹神经，很短时间但非常高技能，并且有逻辑推理能力有预测。我们做什么呢？我们在体外打印一个神经脑，把海马把大脑不同组织拿出来进行打印，做硅基数字接口，由一个动作机器人做运动合反馈，像我说孩子成长一样，通过这种运动反馈来重塑神经细胞之间的连接，看有没有可能产生初级甚至高级的智能。围绕这个理念做了什么呢？第一做了活体细胞精准可靠打印，通过低温神经元细胞生物打印技术，实现血管化、网络化打印，为构建复杂神经网络奠定基础。我们做打印机在科学院先导专项器官制造里面得到了大量的应用。这是我们已经做出来大三维方向可控的神经网络，因为体外培养元代神经网络是挺复杂的问题，所以我们做的范围很大，生命科学家说已经可以具备产生一定智能的规模了。

另外我们和科大研究，人工智能主要是炼丹，调节神经网络权重，对于生物神经网络也是这样。我们和生命科学家一道研究怎么样实现权重调节，现在看来是高频刺激或者改变电脉冲在树突神经定义号发放前后的顺序，是能够对神经网络进行权重调节。也初步实现了一点智能，现在用神经网络能控制一个小型机器人，能够进行简单巡查和避障，现在也有一个重点研发计划项目正在支持，把这个项目往前走。我们希望项目结题能够找无人驾驶的汽车，能够在有限空间做一点自主驾驶的尝试，这是我们正在做的工作。

最后一页离不开展望，机器人三要素是感知、驱动和智能，今天我介绍感知、驱动和智能主要是分离的，分离只能叫器件，集成在一块才能叫机器人。我们正在做要把感知、驱动和智能集成在一起，我们真的把机器人由机器为主，变成了人的属性为主，我们把载体从非生命变成生命，把仿生机理往内生机理推进，我们还要把智能由硅基向碳基迈出重要的一步。

谢谢各位老师，这是我今天全部分享的内容！

—— 刘连庆