清華31歲女科學家革新軟體機器人，曾研發人工神經智能假肢

12 月 10 日，《麻省理工科技評論》全球青年科技領袖峰會在魯迅故裡 —— 浙江紹興舉行，「35 歲以下科技創新 35 人」 （Innovators Under 35）2020 年中國區榜單在峰會上正式發布，清華大學機械工程系助理教授、特別研究員趙慧嬋入選。

圖 | 左七為趙慧嬋

她的獲獎理由是，針對軟體機器人的大形變傳感難題，提出了基於光信號的傳感方案，為軟體智能假肢嵌入多模態傳感功能，實現了智能手對人手觸覺功能的仿生。相關研究論文以《基於高度可拉伸光導傳感器的軟體智能假肢》為題，發表於 Science Robotics 創刊號，並成為該創刊號收錄的四篇研究型文章之一。

開展軟體機器人研究，突破現有機器人研究範式

趙慧嬋表示，其於 2017 年在康奈爾大學獲得博士學位，隨後在哈佛大學工程與應用科學學院開展博士後研究。2018 年，她回到母校清華大學擔任助理教授，隨後一手搭建新型機器人實驗室，並組建了一支由 9 名碩博生和 1 名博士後組成的研究隊伍。

圖 | 2020 年《麻省理工科技評論》中國區 TR35 獲獎人趙慧嬋

談及研究初衷，她表示，機器人技術發展至今已有 70 年之久，科幻電影和小說中的很多技術，並沒有照進現實。機器人領域依舊面臨很多問題，例如如何解決它與人交互時的安全性，如何提升複雜環境中的適應性，其中一個更現實的問題是如何降低成本。

而趙慧嬋所研究的軟體機器人技術，正是面向這些問題試圖通過新方法，去突破現有機器人的研究範式，進而拓展機器人的應用領域。

她設計的高能量密度軟體驅動器，實現了全球第一款由柔軟 「人工肌肉」 提供動力以完成受控飛行的微型機器人。此外，她還設計了手部軟體外骨骼，集安全性、舒適度、低成本、高精度為一體，可精確跟蹤人體肌電信號，並將旋轉鑄塑法引入軟體機器人領域，實現了軟體驅動器的一體化製造。

圖 | 該研究論文發表在 Science Robotics 期刊，趙慧嬋為第一作者（來源：受訪者）

提出並設計一種基於光信號的高度可拉伸光波導傳感器

博士期間，趙慧嬋師從康奈爾大學青年科學家 Robert Shepherd 教授，從事軟體機器人驅動、傳感和控制技術的研究，期望將軟體機器人應用於醫療康復領域。

但是，傳統傳感器無法應對軟體驅動器的大形變，如何獲得高精度、可拉伸、性能穩定、可重複性高的傳感器，成為領域內一大難題。

針對該問題，趙慧嬋提出並設計了一種基於光信號的高度可拉伸光波導傳感器，不同於傳統的基於電信號的傳感器，該傳感器所使用的材料正是軟體機器人領域最常見、最簡便的橡膠材料，因此可以被共融嵌入到軟體仿生手中，這隻仿生手不僅實現了對自身位置和形變的定量感知，還實現了對外界物體軟硬、紋理、粗糙度的精確感知。

圖 | 柔性智能假肢

在這項研究中，趙慧嬋與合作者自主研發了高度可拉伸的光波導材料，把它用作傳感器。與傳統傳感器不同，這款傳感器可以拉伸、彎曲甚至可以像繩子一樣打結，這樣的話就可共融到柔性結構裡，將 15 根這樣的光波導材料嵌入到柔性機械手中，就能賦予它類人的強大感知功能，不僅可以被動地感受到外界的接觸力，也可以主動觸摸物體，感受物體紋理、粗糙度、表面形狀、硬度等信息。

趙慧嬋還結合軟體驅動器的規模化製造技術，製造出集傳感、精確控制於一體的手部外骨骼，並與德國馬格德堡大學萊布尼茨神經生物研究所合作，將這款首部外骨骼用於殘疾人的運動神經康復。這種集成感知驅動化一體化的柔性智能假肢本體，成本不過 300 元人民幣。

開發「人工肌肉」柔性驅動器

在第二項研究中，趙慧嬋開發了名為人工肌肉的柔性驅動器，原理是利用靜電力擠壓彈性橡膠、並產生形變後從而對外做功，尺寸靈活性非常大，將 200 毫克的人工肌肉用來驅動一個撲翼扇動，就可實現一個小型撲翼仿生機器人的起飛、懸停與可控飛行。

博後期間，趙慧嬋師從哈佛大學 Robert Wood 教授和美國工程院院士 David Clarke 教授，期間她進行了柔性人工肌肉介電彈性體驅動器的研究。她所在團隊與 FaceBook Inc. 虛擬實境實驗室合作，將所設計的驅動器製成觸覺傳感設備，並用於提升人與人之間的交互體驗。

在和 FaceBook 的合作中，他們開發出性能指標接近生物肌肉的高能量密度柔性人工肌肉，首次實現了利用柔性人工肌肉驅動的小於 1 克微型撲翼飛行器的起飛、懸停和可控飛行。這種微型飛行器可以感受飛行中的碰撞，並能在碰撞發生後恢復飛行，即在複雜環境下擁有較高運行穩定性。

圖 | 這項研究發表在《自然》雜誌上，趙慧嬋為論文第二作者（來源：受訪者）

此外，這項研究當中，他們發現柔性人工肌肉不僅能實現非常高功率的輸出，同時可以在機器人做一些極限運動如碰撞、墜落、碰壁時，保證系統的穩定性，而這正是軟材料帶給機器人的高魯棒性。

除日常研發機器人之外，在疫情爆發初期，趙慧嬋也曾臨危受命，參與新冠相關項目的緊急研發。

大年初三臨危受命，為疫情開展緊急科研

農曆 2020 年大年初二那天，趙慧嬋接到了一個特殊的任務，清華機械系打算為武漢研製一個用於咽拭子採樣的機器人，因為她具有柔性機械手的研究背景，遂與學生參與該緊急項目的攻關，並負責研發柔性末端執行器和控制系統。大年初三，趙慧嬋全家包括六個月大的女兒，開車從山東趕回北京，開始了這次始於春節的科研。

最終，趙慧嬋與團隊順利完成機器人自動化採樣任務，並與清華大學程京院士領銜的博奧生物集團和清華大學長庚醫院，聯合研製出一款咽拭子採樣機器人系統，其核心關鍵部組件是一個軟體末端執行器，目前已經完成了 20 例人體採樣試驗。

現在，趙慧嬋正與博奧生物集團有限公司合作，進一步推進咽拭子採樣機器人的量產與落地，助力抗擊疫情。

圖 | 清華大學機械系、清華大學長庚醫院、博奧生物集團聯合研發的咽拭子採樣機器人（來源：受訪者）

此外，趙慧嬋還參與了清華機械系劉辛軍教授帶領的體溫篩查機器人的研製，她根據 「把病原體擋在外面」 的設計理念，建議根據民間門神的名字為測溫機器人起名，經大家協商後命名為荼與（SHU YU），小名阿荼（A SHU）。

在她看來，其所研究的領域是利用智能材料、光學、電磁場、力學多學科交叉的背景，來解決機器人領域的相關問題和挑戰。

她希望面向傳統機器人領域難以解決的問題，另闢蹊徑地設計機器人觸覺設備、安全交互的人工皮膚、具有容錯性和變剛度特性的末端執行器，雖然看起來「 很不機器人」，但在實際應用中缺發揮了重要作用，並能互補傳統機器人技術中的很多不足。

回顧過往，從高度可拉伸傳感器，到柔性人工肌肉，再到柔性變剛度末端執行器，趙慧嬋一直致力於機器人創新型基礎零部件技術研發，並努力將這些研究成果應用於各個領域，如醫療康復、人機互動、傳染病檢測與防控、考古等。

不過該領域目前還缺少完整產業鏈，談及未來 10 年的目標，她希望能與領域同行一起，將這些技術的產業鏈建立完善，將這一領域的技術在機器人領域推廣，助力機器人真正走向千家萬戶。