"我的對手目前是美國航空航天局（NASA）。"北京交通大學(xué)教授姚燕安如此定位自己的研究。

 

　　這并不是一句玩笑話。在接受《財經(jīng)國家周刊》記者專訪時，姚燕安說，幾何機(jī)器人的應(yīng)用定位，是現(xiàn)有機(jī)器人難以通過的極端復(fù)雜障礙環(huán)境，包括民用搶險救援嚴(yán)重破壞路面、軍事野外作戰(zhàn)動態(tài)變化地形，以及星球深度探測未知復(fù)雜表面等。目前國際上只有美國航空航天局正在研發(fā)一款用于月球北極復(fù)雜地形深度探測的四面體機(jī)器人。

 

　　實際上，美國人也已經(jīng)對姚燕安的研究和作品有了接觸和了解。美國總統(tǒng)奧巴馬夫人米歇爾對此更是興致盎然。

 

　　2014年3月21日，中美兩國的第一夫人彭麗媛與米歇爾一同參觀了北京師范大學(xué)第二附屬中學(xué)。她們來到工程技術(shù)實驗室時，姚燕安正在給學(xué)生們上"幾何機(jī)器人"課。

 

　　姚燕安向彭麗媛和米歇爾介紹了課程情況及自創(chuàng)的"MSEA"教育理念，即以幾何機(jī)器人為載體，將數(shù)學(xué)（Mathematics）、科學(xué)（Science）、工程（Engineering）和藝術(shù)（Art）相結(jié)合，著力培養(yǎng)學(xué)生形成數(shù)學(xué)家的嚴(yán)謹(jǐn)思維、科學(xué)家的創(chuàng)新精神、工程師的實踐能力以及藝術(shù)家的美學(xué)修養(yǎng)。

 

　　彭麗媛說，學(xué)校教育要重視培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和探索能力。

 

　　學(xué)生們展示了自己制作的機(jī)器人。米歇爾和女兒拿起遙控器，在學(xué)生們指導(dǎo)下操控機(jī)器人。開始時"雙三角錐機(jī)器人"不聽使喚，她說這是個"壞男孩"。而等到學(xué)會控制機(jī)器人自由移動后，米歇爾非常高興。在白宮隨行記者為其攝制的訪華日記紀(jì)錄片中，她兩次說這門課程"真酷"。

 

　　新概念幾何機(jī)器人

 

　　從1990年代的《神龍斗士》，到如今的《變形金剛》，機(jī)器人形象已深入人心。狹義的機(jī)器人是指仿人形"兩足機(jī)器人"，廣義的機(jī)器人包括仿四足狗馬、六足昆蟲、八足蜘蛛等"多足機(jī)器人"，以及蛇形機(jī)器人等。若在傳統(tǒng)輪式、履帶式移動系統(tǒng)上搭載計算機(jī)，使其具自主移動能力，也稱為"輪式機(jī)器人"或"履帶式機(jī)器人"。

 

　　姚燕安首提"多模式整體閉鏈連桿式移動系統(tǒng)"新概念移動系統(tǒng)，其本質(zhì)是將復(fù)雜空間連桿機(jī)構(gòu)整體用于構(gòu)成移動機(jī)器人的機(jī)械本體，具有復(fù)雜環(huán)境的高度適應(yīng)能力、良好剛度以及低成本控制系統(tǒng)等顯著技術(shù)優(yōu)勢，其定位為應(yīng)用于現(xiàn)有輪式、履帶式以及腿式等移動系統(tǒng)均難以適應(yīng)和通過的極端復(fù)雜障礙地形。

 

　　基于多模式整體閉鏈連桿式移動系統(tǒng)，姚燕安提出俗稱"幾何機(jī)器人"的新概念機(jī)器人。顧名思義，幾何機(jī)器人設(shè)計理念源于幾何學(xué)。應(yīng)用機(jī)械科學(xué)制造三角形、四邊形、四面體、立方體等物理實體，用電動機(jī)驅(qū)動并以計算機(jī)進(jìn)行自動控制，使這些實體形狀可變化且可在地面遙控或自主滾動、步行或爬行，成為"平面幾何圖形機(jī)器人"或"立體幾何圖形機(jī)器人"。

 

　　以滾動三角形機(jī)器人為例，將三角形的頂點(diǎn)進(jìn)行鉸接（兩條邊在鉸接點(diǎn)處可以轉(zhuǎn)動），各邊采用電動推桿作為動力。通過調(diào)整電動推桿的長度，使機(jī)器人的重心發(fā)生變化，當(dāng)重心超出底邊的支撐區(qū)域時，機(jī)器人發(fā)生傾倒。重復(fù)這個過程，滾動三角形機(jī)器人即可以實現(xiàn)直線移動。如果在三角形機(jī)器人下方安裝兩只"腳"，那么它就可以實現(xiàn)步行了。

 

　　六邊形機(jī)器人同樣與幾何學(xué)中的六邊形類似，在每個頂點(diǎn)處設(shè)置轉(zhuǎn)動鉸鏈，使它獲得變形能力。從中不難發(fā)現(xiàn)，隨著邊數(shù)的增加，機(jī)器人的變形能力也在逐漸增強(qiáng)。六邊形機(jī)器人可變形為：三角形、四邊形、五邊形，甚至可以模仿履帶的方式進(jìn)行滾動運(yùn)動。

 

　　繼續(xù)增加邊數(shù)，我們可以獲得更為復(fù)雜多變的多邊形機(jī)器人，如模擬六角或八角雪花形狀的雪花型多邊形機(jī)器人等。以立體幾何中的空間多面體為基礎(chǔ)，可以構(gòu)造多面體機(jī)器人，包括四面體機(jī)器人、五面體機(jī)器人、六面體機(jī)器人，以及削楞截角多面體機(jī)器人等。

 

　　此外，將折疊縮放技術(shù)與幾何機(jī)器人結(jié)合，還可構(gòu)造出各種外形可以變大或變小的機(jī)器人。

 

　　"行走的雪花"

 

　　"我很欣賞塞尚，塞尚被稱為現(xiàn)代藝術(shù)之父。塞尚提倡通過圓柱體、圓錐體、圓球體這些幾何形體來表現(xiàn)自然，開創(chuàng)了立體主義藝術(shù)的學(xué)派。我希望在客觀冷靜的機(jī)器人科技里面，融入藝術(shù)的情懷和思想。"姚燕安向《財經(jīng)國家周刊》記者展示了他們研究制造的一款雪花型機(jī)器人。他認(rèn)為，一片"自由行走的雪花"，非常奇妙和浪漫。

 

　　"雪花機(jī)器人"源于"雪花機(jī)構(gòu)"，即呈現(xiàn)雪花形狀的連桿機(jī)構(gòu)，其基本構(gòu)型呈六角形，也可通過改變邊角數(shù)量的方式創(chuàng)造出八角、十角、十二角等系列化的多角雪花機(jī)構(gòu)。

 

　　以電動機(jī)提供動力，"連桿機(jī)構(gòu)"即成為一部"連桿機(jī)器"，"幾何機(jī)構(gòu)"也即成為一部"幾何機(jī)器"。在幾何機(jī)器的各連桿之中，需要選出一個桿作為固定的機(jī)架，稱為"機(jī)架桿"，其他各桿均參照機(jī)架桿做相對運(yùn)動。

 

　　如將"雪花機(jī)器"解除機(jī)架桿的束縛，整體置于地面，并以計算機(jī)進(jìn)行移動控制，"雪花機(jī)器"即成為可移動的"雪花機(jī)器人"。雪花機(jī)器人還具有另一大亮點(diǎn)機(jī)械智能性：其一，傳統(tǒng)智能機(jī)器人如遇障礙，先由傳感器感應(yīng)到障礙的方位，將信息傳遞給控制器，再由控制器下達(dá)相關(guān)的避障命令。而雪花機(jī)器人可以通過自身結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性感知障礙物的存在，實現(xiàn)主動避障；其二，雪花機(jī)器人具備被動行走能力，即在未加裝電機(jī)的情況下，可以沿緩坡自動行走，其步態(tài)優(yōu)雅靈慧，極具美感。

 

　　以四個雪花機(jī)構(gòu)替代傳統(tǒng)輪式機(jī)器人的車輪，即可獲得變形輪機(jī)器人。變形輪機(jī)器人在常規(guī)路面上以圓形輪快速移動，在障礙路面上則變大輪徑進(jìn)行攀爬。倏忽變化，越障如平地。

 

　　從"MSEA"到"MSEAP"

 

　　迄今，姚燕安團(tuán)隊已開發(fā)出百余種已批量生產(chǎn)的具有原創(chuàng)理念和完全自主知識產(chǎn)權(quán)的幾何機(jī)器人產(chǎn)品，取得了40余項發(fā)明專利授權(quán)。

 

　　姚燕安認(rèn)為，幾何機(jī)器人以幾何、運(yùn)動學(xué)和力學(xué)知識為基礎(chǔ)，并融合了電子和計算機(jī)軟件技術(shù)，與青少年的知識結(jié)構(gòu)無縫銜接，為科教領(lǐng)域提供了將數(shù)學(xué)與科技巧妙聯(lián)系的"絕佳載體"。

 

　　"我們還開發(fā)了基于視頻手勢識別技術(shù)的幾何機(jī)器人，人們可以通過手勢控制機(jī)器人的動作，使多個機(jī)器人排列成不同的隊形。這種人機(jī)協(xié)作表演的方式，顯著提高了互動娛樂(300043,股吧)性，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。同時，結(jié)合青少年的知識結(jié)構(gòu)，開發(fā)出一批'幾何故事'表演劇目，包含如'會走路的三角形'、'翻跟頭的四面體'等故事情節(jié)，增加了文化內(nèi)涵。"姚燕安告訴記者。

 

　　姚燕安認(rèn)為，青少年科技教育不應(yīng)簡單盲從數(shù)理化等主課的傳統(tǒng)教學(xué)模式，而應(yīng)鼓勵嘗試引入高校的科技教育模式，大膽采用前沿的科技成果，讓學(xué)生進(jìn)入到科技創(chuàng)新的"高層次"和"當(dāng)前時"，而不僅停留在簡單模仿的"低層次"和"過去時"。

 

　　姚燕安的幾何機(jī)器人課程，目前已應(yīng)用于中國人民大學(xué)附屬中學(xué)、北京師范大學(xué)第二附屬中學(xué)、北方交通大學(xué)附屬小學(xué)等中小學(xué)，以及西城區(qū)青少年科技館、東城區(qū)青少年科技館等校外科技教育機(jī)構(gòu)。

 

　　目前，姚燕安正考慮將自己提出的"MSEA"教育理念拓展為"MSEAP"理念，增加了一個"P"，即哲學(xué)(Philosophy)。他認(rèn)為，需要思考幾何機(jī)器人內(nèi)蘊(yùn)的更深層次的哲學(xué)。

 

　　科學(xué)是發(fā)現(xiàn)宇宙間所存在的客觀真理，數(shù)學(xué)不是真實存在，而是數(shù)學(xué)家頭腦中所建構(gòu)的虛擬邏輯，工程是應(yīng)用數(shù)學(xué)和科學(xué)原理來創(chuàng)造為人類所用的裝置、機(jī)器或系統(tǒng)，藝術(shù)為藝術(shù)家所創(chuàng)造，人為自然界進(jìn)化而來，機(jī)器人為人所創(chuàng)造。至于幾何機(jī)器人，何處來，何方去，何所用？

 

　　"這是哲學(xué)。"姚燕安說。