理工學(xué)院林天麟教授團(tuán)隊(duì)在Science Robotics發(fā)表論文
近日，香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院林天麟教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)Mark Yim教授、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Auke Ijspeert教授，在國(guó)際期刊Science Robotics發(fā)表題為“Modular reconfigurable robots: Toward on-demand multifunctional applications”的論文。香港中文大學(xué)（深圳）為論文第一單位，理工學(xué)院博士畢業(yè)生梁冠琪為論文第一作者，林天麟教授為論文獨(dú)立通訊作者。
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一、期刊介紹
Science Robotics是機(jī)器人領(lǐng)域最具影響力的學(xué)術(shù)期刊，最新影響因子為27.5，長(zhǎng)期位居機(jī)器人學(xué)科第一。期刊致力于發(fā)表具有高度原創(chuàng)性和突破性的前沿研究成果，深入探索機(jī)器人技術(shù)在科學(xué)發(fā)現(xiàn)、工程實(shí)踐與社會(huì)應(yīng)用中的潛力。本文是香港中文大學(xué)（深圳）在Science Robotics上發(fā)表的首篇文章。
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二、研究背景
從科幻作品中能夠自由變形的機(jī)器人，到現(xiàn)實(shí)世界中跨場(chǎng)景執(zhí)行多任務(wù)的智能系統(tǒng)，人類(lèi)始終在探索一種真正“按需而變”的通用機(jī)器人形態(tài)。模塊化可重構(gòu)機(jī)器人（Modular Reconfigurable Robots, MRR）正是在這一愿景驅(qū)動(dòng)下發(fā)展起來(lái)的重要研究方向。通過(guò)將機(jī)器人構(gòu)建為多個(gè)具備獨(dú)立功能的模塊單元，并允許這些模塊在物理層面自由連接、分離與重組，系統(tǒng)能夠在不同任務(wù)與環(huán)境需求下重塑形態(tài)，實(shí)現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換與協(xié)同執(zhí)行。結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)性，使機(jī)器人突破單一形態(tài)與固定功能的限制，具備跨領(lǐng)域、多任務(wù)的動(dòng)態(tài)適應(yīng)能力。
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過(guò)去數(shù)十年間，MRR研究已從早期的機(jī)械驗(yàn)證平臺(tái)發(fā)展為具備自重構(gòu)、自組裝與多模態(tài)運(yùn)動(dòng)能力的復(fù)雜系統(tǒng)，在多個(gè)方面展現(xiàn)出顯著潛力。然而，既有研究多聚焦于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或算法實(shí)現(xiàn)，缺乏以真實(shí)應(yīng)用需求為主線(xiàn)的系統(tǒng)性梳理，也尚未全面揭示其在工程落地過(guò)程中面臨的關(guān)鍵瓶頸。圍繞這一問(wèn)題，本文從應(yīng)用場(chǎng)景出發(fā)，對(duì)模塊化可重構(gòu)機(jī)器人的能力邊界、核心挑戰(zhàn)與未來(lái)演進(jìn)路徑進(jìn)行系統(tǒng)分析，旨在為其邁向“按需多功能”應(yīng)用提供結(jié)構(gòu)化的發(fā)展框架。
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三、研究?jī)?nèi)容
面向物理世界交互的應(yīng)用圖景
基于機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景，MRR系統(tǒng)的能力形態(tài)可抽象為運(yùn)動(dòng)、操作與建造三個(gè)基本維度。
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在運(yùn)動(dòng)層面，MRR系統(tǒng)不局限于固定形態(tài)下的移動(dòng)方式。系統(tǒng)既可以在既定形態(tài)下執(zhí)行步行或輪式運(yùn)動(dòng)，也可以在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行結(jié)構(gòu)重構(gòu)，使形態(tài)變化成為運(yùn)動(dòng)過(guò)程的一部分。結(jié)構(gòu)與環(huán)境之間的關(guān)系由單向適應(yīng)轉(zhuǎn)為動(dòng)態(tài)調(diào)整，系統(tǒng)可根據(jù)空間約束與受力情況對(duì)形態(tài)進(jìn)行相應(yīng)改變，從而增強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)能力與運(yùn)動(dòng)多樣性。
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在操作層面，模塊既是結(jié)構(gòu)單元，也是功能執(zhí)行單元。通過(guò)不同組合方式，系統(tǒng)能夠形成自由度可調(diào)的操作結(jié)構(gòu)，并在模塊數(shù)量增加時(shí)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)接觸與協(xié)同控制。操作形態(tài)不再完全在設(shè)計(jì)階段確定，而是可以在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)任務(wù)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)生成。
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在建造層面，MRR系統(tǒng)在空間結(jié)構(gòu)構(gòu)建任務(wù)中展現(xiàn)出拓展能力。模塊既可作為基本構(gòu)件參與自組裝，也可與其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)配合完成空間結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。這使系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)之外，能夠在一定程度上參與環(huán)境結(jié)構(gòu)的形成，推動(dòng)其從“操作世界”邁向“構(gòu)建世界”。
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貫穿系統(tǒng)全棧的關(guān)鍵挑戰(zhàn)與瓶頸
在能力不斷拓展的同時(shí)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)層面所面臨的約束逐漸顯現(xiàn)。這些挑戰(zhàn)貫穿硬件、軟件與實(shí)際應(yīng)用部署的多個(gè)層級(jí)，共同構(gòu)成MRR系統(tǒng)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)邊界。
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在硬件層面，核心問(wèn)題在于如何在可重構(gòu)性與物理約束之間取得平衡。連接機(jī)構(gòu)需要兼顧結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與容錯(cuò)重構(gòu)效率；模塊小型化雖然提高了形態(tài)分辨率，但也壓縮了驅(qū)動(dòng)、計(jì)算與續(xù)航空間；異構(gòu)設(shè)計(jì)有助于提升特定任務(wù)性能，卻可能削弱整體的可重構(gòu)能力；分布式能源共享能夠增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性，但同時(shí)面臨安全性與功率匹配等限制。未來(lái)的發(fā)展方向在于在結(jié)構(gòu)可靠性、功能密度與系統(tǒng)協(xié)同之間形成更加協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)思路。
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在軟件層面，挑戰(zhàn)主要來(lái)自形態(tài)多樣性與任務(wù)泛化之間的矛盾。冗余自由度帶來(lái)高維規(guī)劃與多解不確定性，增加了優(yōu)化的復(fù)雜度；多形態(tài)運(yùn)動(dòng)要求在有限算力條件下實(shí)現(xiàn)形態(tài)與步態(tài)的協(xié)同控制；環(huán)境適應(yīng)不僅涉及形態(tài)選擇，還需處理復(fù)雜的力學(xué)交互；分布式架構(gòu)也可能引入通信時(shí)延與可靠性問(wèn)題。后續(xù)研究可圍繞分層優(yōu)化方法、跨形態(tài)泛化能力以及分布式系統(tǒng)的穩(wěn)定性展開(kāi)，逐步完善統(tǒng)一的軟件框架。
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在應(yīng)用層面，挑戰(zhàn)更多體現(xiàn)在能力整合與工程實(shí)現(xiàn)之間的差距。盡管不同應(yīng)用場(chǎng)景在物理交互層面具有一定共性，但在實(shí)際部署中仍受到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、能量供給與控制復(fù)雜性等多方面約束。性能與靈活性之間存在權(quán)衡，動(dòng)態(tài)重構(gòu)雖能提升適應(yīng)性，卻也增加系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)；規(guī)模化協(xié)同則進(jìn)一步放大通信與調(diào)度壓力。此外，形態(tài)生成尚未與任務(wù)需求形成明確映射，使“按需成形”仍多停留在理念層面。未來(lái)可從構(gòu)建形態(tài)、功能與場(chǎng)景之間的關(guān)聯(lián)機(jī)制入手，提升系統(tǒng)在實(shí)際場(chǎng)景中的可部署性與應(yīng)用可行性。
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從概念驗(yàn)證到普適部署的演進(jìn)路徑
基于現(xiàn)有代表性研究與工程約束，本文提出從L1到L5的模塊化機(jī)器人五階段發(fā)展路徑，用以刻畫(huà)MRR系統(tǒng)從概念驗(yàn)證走向?qū)嶋H部署的漸進(jìn)過(guò)程：由完全依賴(lài)人工裝配的初級(jí)形態(tài)，發(fā)展至可在預(yù)定義結(jié)構(gòu)間自主切換的自重構(gòu)系統(tǒng)；進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)具備通用自組裝能力的分布式模塊群體；繼而演進(jìn)為面向特定場(chǎng)景優(yōu)化、性能接近專(zhuān)用機(jī)器人的定制化系統(tǒng)；最終邁向在成本、靈活性與適應(yīng)性方面取得綜合平衡的普適應(yīng)用平臺(tái)。
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框架呈現(xiàn)出MRR從相對(duì)離散的機(jī)械單元向集成的群體系統(tǒng)演進(jìn)的整體趨勢(shì)，其能力重心也由執(zhí)行預(yù)設(shè)功能逐步轉(zhuǎn)向自主形態(tài)生成與任務(wù)適配?？傮w來(lái)看，當(dāng)前研究多停留在有限自重構(gòu)與自組裝階段，在規(guī)?；渴鹋c系統(tǒng)可靠性方面仍存在一定差距。未來(lái)的突破有賴(lài)于在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、智能算法與控制方法等方面的協(xié)同推進(jìn)，促進(jìn)執(zhí)行、感知與決策之間更加緊密的融合。
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四、研究結(jié)論
本文以應(yīng)用為主線(xiàn)，對(duì)模塊化可重構(gòu)機(jī)器人的能力結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵瓶頸與發(fā)展路徑進(jìn)行了系統(tǒng)梳理。MRR系統(tǒng)的核心價(jià)值不在于單次形態(tài)變化，而在于持續(xù)生成新形態(tài)與新功能的能力。它打破了傳統(tǒng)機(jī)器人“結(jié)構(gòu)決定功能”的單向邏輯，提出“結(jié)構(gòu)可變、功能生成”的新范式。
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要實(shí)現(xiàn)真正的按需多功能機(jī)器人，仍需在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、智能控制與系統(tǒng)協(xié)同等方面實(shí)現(xiàn)跨層突破。隨著人工智能、先進(jìn)材料和分布式技術(shù)的發(fā)展，模塊化機(jī)器人將在復(fù)雜環(huán)境中發(fā)揮更重要作用。未來(lái)的機(jī)器人或許不再是一臺(tái)固定形態(tài)的機(jī)器，而是一組能夠自由組合、持續(xù)演化的模塊系統(tǒng)；在任務(wù)驅(qū)動(dòng)與環(huán)境約束下不斷重塑自身結(jié)構(gòu)，“按需成形”將成為一種新的工程現(xiàn)實(shí)。
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五、作者簡(jiǎn)介
通訊作者：林天麟教授
林天麟，香港中文大學(xué)（深圳）長(zhǎng)聘副教授、深圳河套學(xué)院雙聘教授，擔(dān)任機(jī)器人與智能制造國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任、IEEE機(jī)器人與自動(dòng)化學(xué)會(huì)廣州分會(huì)副主席。林教授長(zhǎng)期從事模塊化機(jī)器人、多機(jī)器人系統(tǒng)及特種機(jī)器人的研究工作，在機(jī)器人與人工智能領(lǐng)域期刊及會(huì)議發(fā)表論文100余篇，包括Science Robotics 2篇、IJRR 3篇、TRO 8篇、TPAMI 2篇；獲熊有倫智湖優(yōu)秀青年學(xué)者獎(jiǎng)、TMECH年度最佳論文獎(jiǎng)、IROS機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)最佳論文獎(jiǎng)、ICRA最佳論文提名獎(jiǎng)，入選全球前2%頂尖科學(xué)家。研究成果被中央電視臺(tái)、路透社、福布斯、IEEE Spectrum等國(guó)內(nèi)外媒體報(bào)導(dǎo)。林教授擔(dān)任TRO、TMECH、TASE、JFR等期刊編委。
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第一作者：理工學(xué)院博士畢業(yè)生梁冠琪
梁冠琪，理工學(xué)院博士畢業(yè)生。以第一作者在Science Robotics、IJRR、TRO、TMECH發(fā)表論文；獲RSS Pioneers、IROS機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)最佳論文獎(jiǎng)、ICRA最佳論文提名獎(jiǎng)。梁博士擔(dān)任RAL、ICRA和IROS的副編輯，受邀為Science Robotics、IJRR、TRO等期刊審稿。
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供稿 | 林天麟教授團(tuán)隊(duì)?
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