《中國科學報》(2024.11.08):讓機器人擁有生命!他歷經(jīng)3年斬獲“科學探索獎”

發(fā)布時間:2024-11-11

文 | 《中國科學報》記者 王兆昱

10月19日,在第六屆“科學探索獎”頒獎典禮上,獲獎科學家攜親屬在紅毯上亮相。中國科學院沈陽自動化研究所(以下簡稱沈陽自動化所)研究員劉連慶一家四口也不例外。

劉連慶的小女兒盼著走紅毯,已經(jīng)盼了3年。8歲的她一心想穿上夢寐以求的公主裙,和爸爸一起走在聚光燈下。今年,她終于如愿了。

“科學探索獎”于2018年設立,由楊振寧、饒毅、施一公、潘建偉等14位知名科學家與騰訊公司創(chuàng)始人馬化騰共同發(fā)起,是目前國內(nèi)金額最高的青年科技人才資助項目之一。獎項面向基礎科學和前沿技術領域,每年遴選不超過50位獲獎人,每位獲獎人在5年內(nèi)獲得總計300萬元人民幣獎金,且可自由支配。

對劉連慶而言,這3年的等待遠不止于一場紅毯秀。帶著對類生命機器人與微納操控的未來設想,他曾三次站在“科學探索獎”的答辯臺上。在經(jīng)歷兩次失敗后,他愈挫愈勇。

“科研歷程中勝敗乃兵家常事。”劉連慶笑著說,但自己“鈍感力”很強,最后能成功就很開心。

“‘堅持’干一件事不如熱愛干一件事,堅持給人的感覺是被動的,而熱愛是主動的。只有熱愛,才能進入心流狀態(tài),走得更長遠。”劉連慶說。


機器人有生命?這不是科幻

機器人能擁有“生命”?聽起來像是科幻,但在2024年“科學探索獎”的答辯現(xiàn)場,劉連慶帶來了這一設想的現(xiàn)實版本。

他分享了自己兩個“面向未來”的研究方向:一個是類生命機器人,另一個則是對先進制造至關重要的微納操控。

想象一下,當你切開一個機器人,看到的不再是電線和電路板,而是肌肉、血液、細胞這樣的生命系統(tǒng)。這種機器人不僅具有人形外觀,還具備真正的生命機制。

這正是劉連慶的類生命機器人構想。為了將這一“天方夜譚”背后的解決思路和支撐工作闡釋清楚,劉連慶在40頁答辯PPT之外,又特意準備了40頁補充材料,專門用來回答評委提出的問題。

“目前的仿生機器人,無論是‘大狗’等四足機器人,還是各種人形機器人,都只是模仿生命的外形。”劉連慶介紹,而類生命機器人將在分子細胞的尺度上,實現(xiàn)機電系統(tǒng)與生命系統(tǒng)的融合。

“機器人最核心的三大功能——感知、驅(qū)動與智能,當下依賴的都是機電系統(tǒng)。我們要把感知變成生命感知,驅(qū)動變成肌肉,智能變成神經(jīng)涌現(xiàn)。”劉連慶補充。

幾年來,劉連慶的設想正逐步轉化為現(xiàn)實——將響尾蛇感受熱紅外信號的離子通道“放進”機器人系統(tǒng),就是一個最好的例子。

要知道,現(xiàn)有的紅外傳感器依賴半導體原理,在極低的冷卻溫度下,才勉強達到0.01K的感知精度。

而響尾蛇能在自然環(huán)境中,憑借眼睛下方頰窩處一個微小的離子通道,精準感知紅外信號。在常溫常壓下,精度達到0.001K。

劉連慶與中國科學院成都生物研究所、上海藥物所和中國科大的同事合作,詳細探究了響尾蛇感受紅外的物理機制。

“將大自然億萬年進化的成果直接應用到機器人身上。”帶著這樣的想法,劉連慶與合作者一起,將蛋白提純,表達在模式細胞上,并將細胞組成器件。就這樣,機器人被賦予了類似響尾蛇機理的生命感知能力。

劉連慶介紹,團隊還在探索如何將肌肉纖維引入機器人系統(tǒng),以實現(xiàn)生命驅(qū)動。

在智能方面,劉連慶團隊也在進行開創(chuàng)性嘗試。他們通過3D打印和體外培養(yǎng)大腦細胞,讓機器人基于“碳基大腦”進行簡單的路標識別,并沿著特定路徑自主行走。

類生命機器人的潛在路線圖


“種”出一個科學夢想

劉連慶的另一個方向——微納操控,則是類生命機器人思想的起點。

“在我的研究體系里,這兩個方向就像DNA的雙螺旋。它們扭打纏抱在一起,不斷向前推動。”劉連慶笑著說。

在提出類生命機器人概念前,微納機器人是劉連慶研究十多年的“老本行”。微納機器人,顧名思義,是微型機器人和納米機器人。它們潛力巨大,可以進入人體細小的血管分支,完成精準醫(yī)療。

在此過程中,劉連慶經(jīng)常與細胞、DNA分子、細菌這些極其微小的物質(zhì)“打交道”,逐漸形成了生命科學與機械領域交叉的“跨學科”思維。

彼時,中國科學院剛啟動“戰(zhàn)略性先導科技專項”計劃,其中,B類先導突出原創(chuàng)性、引領性和學科交叉,“擴展人類認知的邊界”。受此啟發(fā),劉連慶忍不住思考——如何創(chuàng)造一種大家沒聽過、沒想過、沒見過的機器人系統(tǒng)?這成了他的一個科學夢想。

正是在這樣的背景下,類生命機器人的想法發(fā)芽了。

劉連慶的妻子也是大學老師。夫妻二人在家常常交流科研工作,被一旁玩耍的大女兒(當時4歲多)聽了去。孩子很天真,她拿著自己最心愛的玩具“種”在花盆里,仰著小臉問爺爺:“我想種一個玩具,明天能長出來,爸爸的科學夢想也是這樣嗎?”

隨后的十余年,劉連慶持續(xù)投入到類生命機器人的探索,陸續(xù)得到了中國科學院、國家自然科學基金委、科技部相關項目的支持。

而在2024“科學探索獎”答辯現(xiàn)場,劉連慶所闡述的微納操控,則展現(xiàn)了拓寬科學邊界的更大“野心”。

傳統(tǒng)上,機器人被視為制造工具。劉連慶想:能不能將機器人變?yōu)闇y量工具?畢竟,在制造領域,“沒有測量就沒有制造”。

類生命機器人的發(fā)展,也同樣需要用到微納操控與測量。比如,在將帶有敏感離子通道的細胞“移植”到機器人系統(tǒng)的過程中,微納測量可以檢測到細胞表面的振動,以及細胞的軟硬度,從而知道電信號的大小。

然而,這一目標的實現(xiàn)并不容易。如果制造精度為10微米,測量精度則要達到1微米,這對機器人的精度和性能提出了更為嚴苛的要求。

“當前,科學研究有‘四極’:向極宏觀拓展、向極微觀深入、向極端條件邁進、向極綜合交叉發(fā)力。”劉連慶的研究,同時具備后三“極”的特點。


失敗卻無低谷期:“鈍感力”是秘訣

結束答辯的次日上午,劉連慶照常來到沈陽自動化所,開始了忙碌的工作。微信卻一直響,他拿出手機一看,都是好朋友發(fā)來的“獲獎”祝賀消息。

“在科研過程中會不斷經(jīng)歷各種答辯,勝敗都是常事。這次獲獎,很激動。”劉連慶回憶起自己前兩次申請“科學探索獎”失利后,女兒還安慰自己。

“太小瞧老爸了。”劉連慶笑著說,自己有一顆“大心臟”和超強的“鈍感力”,讓他能在科研之路上保持平和。

這種鈍感力并非麻木,而是一種專注于科研本身、不過度在意成敗的心態(tài)。當被問及有無“低谷期”時,劉連慶坦言:“有時在別人看來我有,但我沒感覺到。”

作為一位導師,曾經(jīng)有一件事令劉連慶“感到傷心”。有一篇他和學生投入很多心血的論文,歷經(jīng)三輪審稿,卻最終被國際期刊拒稿。他不為自己遺憾,而是心疼花了5年為“憋大招”、遲遲不愿發(fā)表論文的學生。尤其是在審稿過程中,這名學生高強度地連續(xù)補做了很多實驗,僅回復意見就寫了40多頁。幸好,那篇論文最終在一本國內(nèi)頂尖期刊上順利發(fā)表,并獲得了良好的反響。在這條路上,他和學生堅定走過的每一步,都算數(shù)。

劉連慶(一排正中)等與學生參加2024年機器人與自動化國際會議(ICRA 2024)

2024年,是劉連慶沖擊“科學探索獎”的第3年。與前兩次答辯相比,這次他更加關注如何在滿足國家重大需求的范疇內(nèi)進行前沿探索。

這一調(diào)整,讓他的答辯不僅有科學高度,更具現(xiàn)實意義——“在先進制造領域,既要注重科學的發(fā)現(xiàn),也要注重對國家的貢獻。”最終,他贏得了評委的認可。

“這是一個讓人著眼于未來的獎項。”劉連慶總結,過去的成績,只占整個答辯時間的一小部分,對未來的設想和規(guī)劃才是核心。

“科學探索獎”2024年頒獎典禮

比起獎金和榮譽,劉連慶更珍視“科學探索獎”為青年科學家們提供的交流平臺,尤其是學科碰撞的機會。他期待與更多優(yōu)秀的同輩交流,產(chǎn)生新的靈感。

“科學研究不能只停留在發(fā)論文上。”沈陽自動化所一位老師的話,讓劉連慶至今記憶猶新。如今,他的夢想是做好基礎研究,既“頂天”又“立地”。

“科學探索,要從孩子開始。”劉連慶希望,一代代人的熱愛匯成創(chuàng)新之流,奔向未來。


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