主手像一個操縱桿，另一端連接了一只從手，從手其實是一根連續(xù)體，里面嵌套著夾鉗或其他手術器械。

　　在山東大學機械工程學院大四男生劉成祥和同學們的設想中，這根細管從鼻腔深入，一直到達顱底，醫(yī)生通過操控主手，即可為病人切除顱底腫瘤，病人得以免除開顱手術的痛苦和風險。

　　握住主手向前推，前面仿佛被什么東西擋住去路。在電腦顯示器上可以看到，主手前方建模了一個堅硬的球體，推動主手，能清晰地感受到球體的弧度。用力推主手，甚至能感受到“球”的硬度。

　　在第十八屆“挑戰(zhàn)杯”決賽現(xiàn)場的展廳里，有眾多炫酷的科技成果，這套主從手設備體積不大，也不太顯眼，卻科技感十足。

　　在“挑戰(zhàn)杯”的賽場上，各式機器人項目“神仙打架”，各行各業(yè)都出現(xiàn)了機器人的身影：高難度手術、電力巡護、糧食倉儲、應急救援……

　　機器人讓手術更便利

　　劉成祥所在的實驗室主攻手術機器人方向。在人體自然腔道中，顱底較為復雜。劉成祥認為，如果能做出切除顱底腫瘤的機器人，那么其他自然腔道的問題也就迎刃而解了。

　　顱底腫瘤的傳統(tǒng)治療方案是做開顱手術，手術時需要取下頭蓋骨。如能使用這個機器人，病人只需在鼻腔做個微創(chuàng)，讓“觸手”沿著鼻腔進入顱底即可。

　　劉成祥和同學們在實驗中發(fā)現(xiàn)，人們過去用的大都是單一連續(xù)體，有的尺寸小，但是穩(wěn)定性差，手術中可能會出現(xiàn)不受控制的抖動，給病人帶來危害。有的穩(wěn)定性強，但尺寸過大，無法自由進入狹窄的自然腔道。

　　他們將兩種連續(xù)體嵌套在一起，構成復合連續(xù)體，既能自由進入人體腔道，又能隨著主手控制而任意彎曲。

　　除此之外，要進入鼻腔，連續(xù)體的直徑就不能太大。劉成祥說，嵌套之后，最大處直徑5毫米，最小處約2毫米。

　　基于復合連續(xù)體，他們還開發(fā)出一種新的算法，運算速度比傳統(tǒng)算法提高了354倍，這意味著從手可以更快速地到達目標點。

　　這個項目幾乎貫穿了他們的大學四年。為了做好這個機器人，幾名機械學院的“工科男”還去醫(yī)院觀摩臨床手術。

　　復旦大學工程與應用技術研究院的研三女生潘琪琪和同學研發(fā)的做心臟手術的機器人，也是異曲同工。

　　傳統(tǒng)的心臟外科手術，需要切開胸骨，傷口愈合時間長。而微創(chuàng)手術僅需在胸前開一個小孔，醫(yī)生控制主手，從手進入胸腔操作。創(chuàng)口小，病人恢復會很快。

　　這臺機器人是她和同學們一個零件一個零件親手組裝起來的，最難的部分是傳感器。為了讓手術開孔更小，他們需要一個直徑8毫米的傳感器，但當時全球最小的傳感器直徑都有17毫米。沒辦法，得自己從頭做：畫設計圖、找工廠生產(chǎn)零件、動手組裝。

　　潘琪琪在一個放大倍數(shù)50倍以上的放大鏡下，把24個應變片組裝成第一代傳感器。拿著這個直徑8毫米的傳感器，肉眼甚至看不清它的結構。制作這個小小的傳感器，花了他們半年多的時間。

　　潘琪琪告訴記者，目前成熟的手術機器人大多用在腹腔鏡手術，團隊在此基礎上作了改良。前段時間，他們用這套設備在離體的豬心上了縫合實驗。他們請來復旦大學醫(yī)學院的碩士生操縱主手，花了兩個多小時縫合好豬心上那條10多厘米長的口子。中山醫(yī)院的醫(yī)生評估了手術結果，認為縫合效果符合臨床要求。

　　從事這一研發(fā)時，國內(nèi)還沒有心外科手術機器人的專利，潘琪琪希望，自己團隊的研究可以填上這塊空白。

　　貼心小助手，為人類減負

　　內(nèi)蒙古機電職業(yè)技術學院電氣工程系教師張彬知道，本系的學生畢業(yè)后，大部分會去變電站做變配電值班員等工作。

　　這份工作很辛苦，不論白天夜里，每隔一兩小時需要巡檢一次。在變電站巡一圈，少則三四十分鐘，多則1個小時。如果在夜里，意味著值班人員幾乎無法休息。

　　2019年，張彬開始帶著學生研究“偷懶”的辦法，讓機器人幫人減負。

　　變電站地形復雜，機器人有時需要通過砂石路、鵝卵石，或者上下臺階。而這些，傳統(tǒng)的輪式機器人做不到。

　　他們研發(fā)的機器人，更確切地說，應該叫“機器狗”。它有四足，可以抬腿跨過障礙物，能爬臺階，在凹凸不平的鵝卵石上行走自如。

　　張彬告訴記者，第一代機器狗重點做仿生，它像四足動物一樣“走路”。等它走路穩(wěn)了、能順利邁過障礙物，張彬帶著學生們再在上面搭載傳感器。

　　但是難題又來了：傳感器很重，放上去之后，機器狗走路就開始歪，這會導致傳感器探測不準確，上下樓梯也容易“摔倒”。每增加一項設備，同樣的問題就重復出現(xiàn)。

　　學校的實訓室全天開放，大三學生鐘志勇告訴記者，他有空時，常去實訓室琢磨這個項目。用3D打印技術做出各種零件，再考慮怎么安裝到機器狗上。

　　張彬說，為了做這個機器狗，學生自己焊電路板、自己組裝，大學里學到的CAD、單片機等課程全都串起來了。

　　不知試了多少次，搭載著多種傳感器的機器狗終于走得穩(wěn)了。張彬和學生們給它配了各種“裝備”：身上的傳感器可以探測溫度；電量低時，它可以“回家”自主充電；變電站很脆弱，怕鳥筑巢、怕老鼠咬線，他們增加了超聲波驅(qū)離功能，驅(qū)趕鳥類和老鼠；機器狗頭部的攝像頭還能識別出進入現(xiàn)場的非工作人員。

　　張彬和學生們正在研究第四代機器狗，他們希望讓它未來承擔更多工作，為工作人員減負。

　　電子科技大學的研二男生王潔和團隊設計了一系列用于糧食倉儲的智能機器人，這些設備可以極大地減輕工人的作業(yè)負擔。

　　王潔記得，他大一剛進實驗室，老師就帶他到糧倉實地參觀。他對當時的場景仍然記憶猶新：傳送帶將糧食運到糧倉，糧面凹凸不平；當時正值夏日，工人戴著口罩，用力把糧倉里的糧食推平，沒幾分鐘就熱得大汗淋漓。不僅如此，傳送帶動作粗暴，不少糧食顆粒會被撞碎。

　　那是王潔研究的起點。

　　五六年過去，他們研發(fā)了幾款不同功能的機器人用于糧食倉儲環(huán)節(jié)。

　　入倉機器人連接在傳送帶上，可以自主調(diào)節(jié)出糧的速度、角度，從而減少糧食破損，糧面平整度高；釬樣機器人的釬樣深度可達30米，比以往10余米的釬樣深度多了一倍，它還能建立三維坐標系，自動顯示釬樣位置、時間；施藥機器人則能把藥劑施到50厘米以下，改善防蟲害效果。

　　入倉機器人投入測試3年后，他們發(fā)現(xiàn)，跟同類型、同環(huán)節(jié)的糧倉相比，應用了智能機器人的糧倉可以節(jié)約兩三百噸糧食。他們把單個機器人的成本控制在5萬元以內(nèi)，希望將來把它們應用到更多糧倉。

　　為人所不能為

　　在大橋的路面以下、柱子以上，有個或大或小的中空結構，稱為箱梁。

　　它是大橋承重的中堅力量，但是隨著使用年限增加，水泥可能出現(xiàn)裂紋、掉塊、露出鋼筋，危及橋梁安全。

　　但是要進入箱梁里面檢測，工人得冒著呼嘯的江風、沿著垂直的梯子爬進去，非常危險。而且有的箱梁內(nèi)部高達數(shù)十米，工人得搬著梯子爬上去檢查，效率低，又危險，肉眼也無法看清楚；有的箱梁極為狹窄，人只能匍匐進去；有些箱梁比較封閉，氣流不通暢，可能存在氧氣濃度過低的問題，人如果貿(mào)然進去，也很危險。

　　也正因此，大橋的箱梁檢測目前仍然近乎空白。

　　同濟大學大二男生崔嶼杰和同學們設計了一款機器人，專門為大橋的箱梁“查體”。在他們看來，中空的箱梁就像人的胃一樣，因此給這款機器人起了個形象的名字：橋梁胃鏡機器人。

　　這支團隊給機器人配備了高精度攝像機，用以探測箱梁頂板、側(cè)壁和底面的裂縫，最小可以探測2毫米的裂縫。機器人采集到照片后，傳回后臺，系統(tǒng)通過圖像識別技術批量化掃描照片、尋找裂縫。

　　研發(fā)過程中，他們遇到的一大挑戰(zhàn)就是機器人的定位問題。

　　厚厚的水泥板屏蔽了信號，GPS、北斗等傳統(tǒng)定位系統(tǒng)無法應用。在這個巨大的“盲盒”里，只能靠機器人自己來定位。

　　崔嶼杰告訴記者，他們采用了幾種方法：機器人可以用激光，像眼睛一樣去看；或用輪式里程計，像腳一樣丈量距離；還可以在箱梁四角搭建小基站，幫助機器人定位。這幾種測量方式各有利弊，研發(fā)團隊將它們動態(tài)結合起來，找到更可信的數(shù)據(jù)。

　　崔嶼杰說，這款機器人目前實現(xiàn)了全流程自動化，來到陌生場景，它可以自動定位、規(guī)劃路徑。

　　對于檢測的橋梁，這支團隊還構建了相應的數(shù)字孿生橋梁，并將在實際大橋上檢測到的病害標注在孿生橋梁上，呈現(xiàn)得更為清晰直觀。

　　不過，目前還需要工人爬進箱梁，把機器人放進去。為此，團隊成員肖子恒做了一些設計，機器人在非工作狀態(tài)下可以折疊，變形成背包，由工人背進箱梁里。

　　他們考慮，未來可以改用無人機掃描，或是拓展為機器人集群，這樣可以更高效地完成任務。

　　中青報·中青網(wǎng)記者 李雅娟 來源：中國青年報