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開拓耕耘——學(xué)科方向初建立

中國科學(xué)院沈陽自動化研究所被譽為中國機器人事業(yè)的搖籃，在中國機器人發(fā)展史上創(chuàng)下了20多項第一。老一代沈陽自動化所科學(xué)家們，在機器人學(xué)科方向的確立，乃至我國首臺水下機器人和工業(yè)機器人的研制過程中作出了重大貢獻(xiàn)。

出生于1940年的談大龍，曾任沈陽自動化所機器智能與機器人技術(shù)研究部主任、機器人學(xué)開放實驗室主任、國家“863”計劃自動化領(lǐng)域智能機器人專家組組長，現(xiàn)已退休。他曾親歷了沈陽自動化所學(xué)科方向的確立以及我國第一臺水下機器人“海人一號”的誕生。

1973年，當(dāng)時33歲的談大龍跟隨時任沈陽自動化所所長蔣新松和機器人研究室主任吳繼顯到北京出差調(diào)研，走訪了許多家單位，介紹研究所對于開展人工智能和機器人研究的設(shè)想。在中科院新技術(shù)局匯報情況時，時任局長鄧裕民認(rèn)真聽取匯報后表示支持，并要求研究所提交報告，令研究人員大受鼓舞。1975年，談大龍與同事一起被派往羅馬尼亞參加國際控制論和系統(tǒng)會議，通過這次機會開闊了眼界，了解了國外人工智能和機器人的發(fā)展情況。

隨著“四人幫”的倒臺，我國迎來了科學(xué)的春天。1978年，中國科學(xué)院制定各研究所學(xué)科研究發(fā)展規(guī)劃。在自動化學(xué)科規(guī)劃會上，蔣新松和吳繼顯憑借此前的學(xué)術(shù)積累，經(jīng)過與兄弟所的激烈討論，確立了沈陽自動化所的學(xué)科發(fā)展方向：機器人技術(shù)、工業(yè)自動化和模式識別，從此開拓了機器人技術(shù)的發(fā)展道路。沈陽自動化所經(jīng)過5年的努力，做機器人的目標(biāo)終于實現(xiàn)了！

在20世紀(jì)70年代，水下機器人技術(shù)正在國外飛速發(fā)展，我國卻仍是一片空白。沈陽自動化所瞄準(zhǔn)了這項前沿技術(shù)，在國內(nèi)率先開展“智能機器在海洋中的應(yīng)用”的可行性研究，并由談大龍擔(dān)任項目總體組組長。

起初，確定先研制一臺能潛深100米的水下機器人，能在水下進(jìn)行觀察和撿拾物體，采用有纜操作的控制方式。經(jīng)過4年的努力，沈陽自動化所研制成功了我國第一臺水下機器人——“海人一號”（HR-01），并通過了大連和三亞的兩次海洋試驗，實現(xiàn)了項目研究的既定目標(biāo)。今天項目組在談?wù)撍聶C器人的早期研制工作時，總是不能忘記當(dāng)時奮戰(zhàn)在一線的科研人員。大家熱情高漲、努力克服各種技術(shù)困難，兩次海試都是冬季，其中大連海試結(jié)束已是大年三十。更加不能忘記，課題組成員馮仲良身患腸癌仍堅持在三亞進(jìn)行海試，回來后不久就去世了。這些老科學(xué)家，是中國水下機器人研究的奠基石，值得我們永遠(yuǎn)銘記。

此外，由宋克威、周國斌、王棣棠、崔殿忠等人，完成了國內(nèi)第一臺SJZ-1型示教再現(xiàn)工業(yè)機器人，這也是我國第一臺工業(yè)機器人。經(jīng)過前期的積累，沈陽自動化所在激烈的競爭中脫穎而出，獲得了國家“七五”工業(yè)機器人控制器攻關(guān)項目支持，并將消化吸收和自主開發(fā)相結(jié)合，順利完成“七五”攻關(guān)項目，為后來新松公司開發(fā)工業(yè)機器人產(chǎn)品，以及開展機器人人力控制和協(xié)調(diào)控制打下了基礎(chǔ)。

十年奮斗——“龍腦”誕生記

2012年6月24日，“蛟龍”號7000米級載人潛水器下潛到7020米海底，試航員之一 ——38歲的劉開周與兩位同伴通過水聲通話，對神舟九號航天員發(fā)出了問候：祝愿景海鵬、劉旺、劉洋3位航天員與天宮一號對接順利！祝愿我國載人航天、載人深潛事業(yè)取得輝煌成就！這次下潛，首次創(chuàng)造了世界同類型載人潛水器的最大下潛深度。

此時，距離“蛟龍”號獲批國家“十五”“863”計劃重大專項立項，已過去10年的時間。十年磨一劍，這次下潛完美地詮釋了沈陽自動化所“蛟龍”號控制系統(tǒng)研制團(tuán)隊的付出。10年間，他們秉承和發(fā)揚了研究所“獻(xiàn)身、求實、協(xié)作、創(chuàng)新”的精神，通力協(xié)作、攻堅克難，解決了諸多技術(shù)問題，研制了我國首套具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)、性能國際領(lǐng)先的深海載人潛水器控制系統(tǒng)，為“蛟龍”號的海試成功奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

在團(tuán)隊負(fù)責(zé)人張艾群研究員的帶領(lǐng)下，控制系統(tǒng)團(tuán)隊王曉輝、郭威、崔勝國、祝普強、劉開周等19人參加了各個深度級別的海上試驗，一方面要對控制系統(tǒng)進(jìn)行保障，另一方面還要對控制系統(tǒng)在不同深度下的航行控制、設(shè)備控制、導(dǎo)航定位、綜合顯控、應(yīng)急控制等分系統(tǒng)的功能和性能指標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場驗證。海上試驗期間，張艾群為現(xiàn)場指揮部成員、安全總監(jiān)，王曉輝為控制部門長，郭威為水面監(jiān)控部門長，劉開周為試航員，祝普強負(fù)責(zé)潛水器反饋信號監(jiān)視，崔勝國負(fù)責(zé)軟件技術(shù)保障。團(tuán)隊成員虛心學(xué)習(xí)船舶駕駛、海事氣象等有關(guān)專業(yè)知識，以嚴(yán)肅認(rèn)真的態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)求實的作風(fēng)、實事求是的精神，在時間緊、難度大、任務(wù)重、后方堅強保障下，出色地完成了與控制系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)改進(jìn)和試驗保障任務(wù)。

從1000米到3000米，從5000米到7000米，2012年6月3日至7月16日，國內(nèi)18家單位圓滿完成了7000米級海上試驗任務(wù)。該次試驗最大特點是試驗海區(qū)位于密克羅尼西亞專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)的馬里亞納海溝，“蛟龍”號的所有部件將要經(jīng)受最大設(shè)計深度的考驗，同時全體參試隊員需要按照聯(lián)合國海洋法公約要求在他國專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)海域開展工作。“蛟龍”號7000米級海試共完成6次下潛，下潛深度分別為6671米、6965米、6963米、7020米、7062米和7035米，每次下潛都按預(yù)定計劃和任務(wù)有效開展。本次海上試驗，沈陽自動化所張艾群、郭威、祝普強等4人參加，主要負(fù)責(zé)驗證載人潛水器控制系統(tǒng)7000米設(shè)計深度下的航行控制、設(shè)備控制、導(dǎo)航定位、綜合顯控、應(yīng)急控制等分系統(tǒng)的功能和性能指標(biāo)。

2012年6月24日，劉開周與其他兩位試航員共同見證了我國載人深潛史上首次突破7000米的偉大歷史時刻，并在7000米的海底向遠(yuǎn)在外太空中“神舟九號”航天員發(fā)送了祝福。試驗對潛水器本體系統(tǒng)、水面支持及母船系統(tǒng)共313項功能、性能、指標(biāo)和作業(yè)內(nèi)容進(jìn)行了逐一驗證，對一些關(guān)鍵項目進(jìn)行了多次試驗和驗證。試驗還取得了豐富的海底科學(xué)作業(yè)成果，包括海底沉積物樣品、生物樣品、地質(zhì)樣品和深海水樣，以及大量海底影像資料和海底微地形地貌資料等。在海上試驗中，廣大參研參試隊伍通過實際行動，弘揚和凝練了“嚴(yán)謹(jǐn)求實、團(tuán)結(jié)協(xié)作、拼搏奉獻(xiàn)、勇攀高峰”的中國載人深潛精神。試驗團(tuán)隊安全、圓滿、超額完成了“蛟龍”號7000米級海上試驗的全部試驗內(nèi)容，實現(xiàn)了全部預(yù)定目標(biāo)！

使命并未到此結(jié)束。2013年起，“蛟龍”號載人潛水器轉(zhuǎn)入試驗性應(yīng)用階段。沈陽自動化所先后派郭威、劉開周、祝普強、趙洋、崔勝國、何震、孔范東、楊鳴宇、趙兵、冀萌凡、陶祎春、王海龍、田啟巖等20余人次，全航次參加“蛟龍”號試驗性應(yīng)用航次和中國大洋第35、37、38航次試驗，圓滿完成對“蛟龍”號控制系統(tǒng)的保障任務(wù)。

“蛟龍”號控制系統(tǒng)團(tuán)隊獲得了包括“載人深潛英雄集體”“載人深潛英雄”“全國專業(yè)技術(shù)人才先進(jìn)集體”“全國五一勞動獎狀”“全國五一勞動獎?wù)隆薄爸袊嗄晡逅莫務(wù)录w”和國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎一等獎等諸多榮譽和獎勵。“蛟龍?zhí)栞d人潛水器研發(fā)與應(yīng)用”項目還榮獲了2017年度國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎一等獎。

千里馳援——科技保障民生

2013年4月20日8點2分，四川省雅安市蘆山縣發(fā)生7.0級強烈地震。沈陽自動化所按照中科院統(tǒng)一部署，迅速啟動了應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案。出生于1963年的沈陽自動化所究員李斌，被任命為地震現(xiàn)場總指揮，負(fù)責(zé)地震救援隊的現(xiàn)場救援工作。組員由13名所內(nèi)人員構(gòu)成，除了兩位負(fù)責(zé)運送設(shè)備的司機，都是機器人學(xué)國家重點實驗室的科研人員。他們在“十一五”國家“863”計劃的支持下在2011年成功研制出了多種地震救援機器人，并在國家地震緊急救援訓(xùn)練基地示范應(yīng)用，也得到了中央電視臺等媒體報道。

李斌清楚地記得，地震發(fā)生那天正好是周六，大家都在家休息，他臨時打電話召集大家，所有人都二話不說，迅速到達(dá)工作崗位。救援隊分三批奔赴災(zāi)區(qū)，第一批救援人員攜帶廢墟搜索可變形機器人，乘坐飛機和汽車，日夜兼程，克服重重困難，在地震發(fā)生后19個小時，就到達(dá)了距離3000公里的四川蘆山地震災(zāi)區(qū)。

在救災(zāi)物資緊缺的情況下，一個面積約12平方米的小帳篷、3條被子、兩輛汽車，成了13名搜救隊員每天的棲息所。帳篷里睡6個人，其余人則睡在汽車?yán)铮珱]有一個人覺得委屈。4月22日，震區(qū)開始下雨，夜里溫度只有十三四攝氏度。潮濕的泥土將鋪在帳篷內(nèi)地上的紙盒板和棉被浸濕，身上穿的衣服也都不是干爽的，第二天醒來還是照樣穿上身，不管不顧地投入到新一天的戰(zhàn)斗，沒有人考慮到會不會感冒。隨行的老司機鄭繼榮在潮濕的環(huán)境下常常風(fēng)濕病發(fā)作，肩膀、膝蓋和腿的痛讓他沒睡過一個安穩(wěn)覺。

熱水，亦是地震后災(zāi)區(qū)稀缺資源。救援隊員回憶起當(dāng)時的場景都笑稱，沒有熱水沖泡方便面，都是直接“啃面餅”。礦泉水、八寶粥、餅干等都是名副其實的“正餐”。沒有熱水，不能洗澡，就連上廁所都要自己爬到山里去。據(jù)旋翼無人機小組的隊員們回憶，災(zāi)區(qū)有一些供男士們使用的臨時“茅坑”——地上挖個大洞，上面橫放著木條。但洞口很深，看著嚇人，一不小心一條腿就可能掉進(jìn)去，大家只好紛紛到山里找地方。而在白天和夜里，多達(dá)4000多次的余震已經(jīng)多到讓他們習(xí)以為常、毫無畏懼。13人的救援隊成立了臨時黨小組，由李斌擔(dān)任臨時黨小組負(fù)責(zé)人。他提出在救災(zāi)行動中實行一票否決制，即只要13人當(dāng)中有一個人提出行動有危險，大家就全體后退，不再向前。但令他感到驕傲的是，在這4天的任務(wù)中，即使是行駛在這樣分分秒秒都可能喪命的山路上，都沒有一人投過棄權(quán)票。

在4天的緊張救援工作中，救援隊員不怕危險，沿著險峻、滾石塌方不斷的山路駕車前往救援現(xiàn)場；冒著余震不斷、房屋隨時有垮塌的危險開展救援工作；在地震災(zāi)區(qū)真實的救援作業(yè)環(huán)境中，不斷積累完善機器人系統(tǒng)的經(jīng)驗和第一手?jǐn)?shù)據(jù)；在地震災(zāi)區(qū)救援現(xiàn)場與多個單位協(xié)調(diào)、配合；救援中所使用的三款機器人全部是沈陽自動化所自主研制的高技術(shù)裝備，是我國首次將機器人應(yīng)用于地震災(zāi)區(qū)現(xiàn)場救援工作，也是三款機器人第一次實戰(zhàn)救援應(yīng)用。團(tuán)隊成員的拼搏和奉獻(xiàn)精神，以及 在搜索救災(zāi)行動中表現(xiàn)出來的高效敬業(yè)，得到了國家地震災(zāi)害緊急救援隊的充分肯定。

探索未知——勇闖世界科技前沿

2006年末，出生于1980年的孫蘭香在沈陽自動化所攻讀博士學(xué)位剛剛將滿一年，便接到了導(dǎo)師于海斌研究員的一項“艱巨的任務(wù)”—— 一份美國能源部2005年的項目研究報告，中文題目叫《鋁、玻璃、鋼工業(yè)熔融化學(xué)成分的在線、實時測量》，所采用的技術(shù)叫Laser-induced breakdown spectroscopy，簡稱LIBS，中文翻譯叫“激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)”。導(dǎo)師告訴孫蘭香，這可能是一項對我國工業(yè)發(fā)展非常有用的技術(shù)，讓她好好研究一下。

之后的兩年，孫蘭香和幾個年輕職工在導(dǎo)師的帶領(lǐng)下研讀國內(nèi)外相關(guān)資料，搭建實驗平臺，開展實驗和數(shù)據(jù)分析，對LIBS的基礎(chǔ)積累逐漸加深。2008年底獲得國家“863”計劃項目的資助，項目目標(biāo)是基于LIBS技術(shù)開發(fā)面向冶金生產(chǎn)過程的在線分析裝置，孫蘭香擔(dān)任技術(shù)負(fù)責(zé)人。他們要挑戰(zhàn)的應(yīng)用領(lǐng)域是煉鋼過程的鋼水成分在線檢測，這是鋼鐵企業(yè)長期以來的迫切需求，但大概也是冶金行業(yè)中最具有挑戰(zhàn)的一個應(yīng)用過程。

當(dāng)時項目的核心成員只有3名，孫蘭香、叢智博和辛勇，都是剛剛畢業(yè)的學(xué)生，沒有什么經(jīng)驗，只能依靠查閱文獻(xiàn)慢慢摸索。第一版樣機出來后，面對的困難是鋼水熔煉試驗。一個30千克的電感爐起初沒人會操作，由于不懂熔煉工藝，第一次操作因為溫度控制不當(dāng)導(dǎo)致爐底燒穿，1600攝氏度以上的高溫鋼水從爐底流了出來，整個D樓全是煙塵，還好提前把防護(hù)措施準(zhǔn)備得很到位，并沒有造成任何損失。

2010年底開始工廠試驗。工廠的合作伙伴是撫順新鋼鐵公司，煉鋼廠的李勇廠長非常關(guān)注這項技術(shù)，對工廠試驗給予了很大支持。為了盡可能多地獲得數(shù)據(jù)，孫蘭香等人連續(xù)幾天都工作得很晚。鋼廠的環(huán)境很惡劣，而且設(shè)備就安裝在轉(zhuǎn)爐后，1600攝氏度以上的鋼水就離人幾米的距離，剛開始看到時確實需要克服心理上的恐懼。一天下來，即便戴著口罩，面部和鼻孔也都是黑色的。再加上鋼廠一線沒有女職工，也沒有女廁所，試驗過程中如果有需要，孫蘭香就得去辦公樓那邊，所以要盡量少喝水。在工廠的大力配合下，試驗很順利，成功獲得了液態(tài)鋼水的分析數(shù)據(jù)，驗證了裝備和技術(shù)的可行性。經(jīng)過短短4年時間，從零開始做到了工廠的應(yīng)用驗證，這也是國內(nèi)LIBS技術(shù)首次在工廠生產(chǎn)中獲得了液態(tài)鋼水的分析數(shù)據(jù)，項目也順利通過了驗收。

此后，在2012年，研發(fā)團(tuán)隊又獲得了第二個“863”項目的滾動支持，繼續(xù)完成鋼水成分在線分析儀的研制，這一期的項目目標(biāo)是研制一套真正無須取樣的在線分析裝備，要解決等離子體遠(yuǎn)距離激發(fā)、信號遠(yuǎn)距離傳輸、厚厚爐渣層阻礙、1600攝氏度以上高溫防護(hù)等問題，技術(shù)難度非常大。

2014年中旬，樣機開發(fā)完畢并通過了實驗室測試，開始第二次工廠試驗。但是，這次的工廠試驗并不順利，前端探頭雖然通過了實驗室小感應(yīng)爐的測試，但實際生產(chǎn)過程中鋼水上面厚厚的爐渣層使得探頭很容易碎裂。經(jīng)過幾個月，嘗試了將近10種類型的探頭，終于與一家耐火材料廠合作定制了一批合適的探頭。探頭成功以后，開始了真正的在線測量試驗。轉(zhuǎn)爐鋼水轉(zhuǎn)到鋼包里面后，要在鋼包里面調(diào)合金并吹氬氣攪拌，攪拌均勻后取樣化驗分析，分析過程鋼包要靜等結(jié)果出來，等待時間通常是3至5分鐘。設(shè)備就在這個等待過程開始測量，1分鐘之內(nèi)給出結(jié)果，再跟他們的分析結(jié)果比對。連續(xù)幾天比對之后，數(shù)據(jù)的一致性不僅令孫蘭香等人很滿意，也使工廠的工人很驚訝。

2015年1月1日那天，工廠試驗任務(wù)圓滿成功。這不僅實現(xiàn)了我國鋼水成分在線檢測“零的突破”，也在國際上首次實現(xiàn)了40噸級鋼包的鋼水成分在線測量。李廠長也很興奮，他說：“沒想到你們幾個小孩竟然把這事做成了，尤其是你這個看起來很斯文的帶隊女同志！”

此后，作為課題組長和研究員的孫蘭香一直帶領(lǐng)團(tuán)隊致力于將這項技術(shù)實用化，并向鋁合金、銅合金、選礦等行業(yè)應(yīng)用拓展。盡管應(yīng)用推廣的道路漫長而曲折，但始終堅持不懈前行，并在多個應(yīng)用領(lǐng)域突破了國內(nèi)應(yīng)用的空白。“厲害”“了不起的工作”是他們時常收到的同行評價。

摘自《中國科學(xué)報》