天津大學：彌補靈活機器人與高效機器之間的鴻溝 “變胞”理論開啟機器人發展新領域
這個理論曾在美國機械工程師學會“ASME機械設計終身成就獎”頒獎時被高度評價為“彌合了高度靈活但昂貴的機器人與高效但不靈活的機器之間的鴻溝”；該理論還被學界譽為“是當前重點研究領域”和“當前和未來機械機構科學領域的主流趨勢”。這便是由戴建生院士領銜，天津大學為第一完成單位，中科院沈陽自動化研究所和東北大學為合作單位完成的“機構演變與變胞機理發現及其幾何形態變構理論與分岔調控機制”。在今年3月剛剛評選出來的天津市科學技術獎中，該項目獲得天津市自然科學一等獎。
多構型多變構Bennett-衍生變胞機構構型簡表
摘自：戴建生,康熙,宋亞慶,魏俊,2021《可重構機構與可重構機器人》
就像人們要同時做很多項工作會感到“手忙腳亂”一樣，傳統結構的機器往往也只能完成單一的工作，一面對復雜甚至需要改變自己的結構形態才能完成其它工作時就無能為力了。戴建生院士的這項理論，靈感起源于人類的進化和細胞的分裂重組，就是讓機器可根據實際需求“變身重構”，“動態演變”，靈活地適應變化的工作環境與功能需求。
據悉，面對傳統機器拓撲與活動度一成不變，難以滿足多工況多需求的難題，項目團隊在戴建生院士率領下，經過20年深耕，建立了機器機構演化理論體系，開展了機器機構演變機理研究，完成了大量原創且國際領先的工作，創立了變胞機構和可重構機構新研究領域。這些理論開創了可重構機構與可重構機器人大領域，變胞機構子領域，首次提出了不同于傳統設計且具有變活動度、變構態、變拓撲的變胞機構/可重構機構理念；創立了基于旋量理論、李理論、微分流形三大理論的變胞理論體系，揭示了變胞機構/可重構機構的演變機理；構建了一套起源本質、融匯貫通的變胞機構/可重構機構創新與綜合設計體系；攻克了變胞機構與可重構機器人驅動選擇、變構調控等關鍵科學問題，建立了變胞機構/可重構機構的構態調控機制與控制策略。
變胞足式機器人
摘自：Zhang, C., Zhang, C., Dai, J.S. and Qi, P., 2019. Stability Margin of a Metamorphic Quadruped Robot With a Twisting Trunk. Journal of Mechanisms and Robotics, Trans. ASME, 11(6): 064501.
該理論的典型成果體現于團隊開發的絕緣子劣化診斷與維護、輸電線路巡檢、斷股補修等多款變胞電力機器人，與可變各種形態各種爬行姿勢的變胞足式機器人。其利用變胞機構“一機多能、一機多用”的特點，提升了“輸—變—配”電力設備的精益化管理，也提升了各種越野能力與各種環境的適應能力。此外，團隊研發的變胞多指靈巧手應用于中國航天員科研訓練中心特種防護服測試裝備，服務于國家載人航天工程。研發的變胞靈巧手與變胞足式機器人孵化出天津大然機器人和深圳大寰機器人兩個高科技創業公司。同時，該理論引領并指導了數個國家自然科學基金委項目與國家重點研發計劃項目，服務于國家重大需求。
戴建生教授為英國皇家工程院院士，因“為建立可重構機構領域和變胞機構子領域做出了開拓性與奠基性貢獻”，于2020年獲得機械工程領域最負盛名的“ASME機械設計終身成就獎”，為62年來第58位獲獎者，首位華人獲獎者。而在這之前，戴建生院士還于2015年獲得了機構學與機器人學頂級獎“DED機構學與機器人學終身成就獎”，為該獎設立41年來第27位獲獎者。
