迷茫,非常的迷茫……漆方杰未曾料到,讀博遇到的第一道坎,竟是自己的精神內耗。
剛進入美國北卡羅來納州立大學,在機械航空系副教授尹杰課題組的最初半年里,他不知道該干嘛,對課題也沒什么想法,成為了實驗室里最晚去、最早走的“摸魚人”。但他對科研仍心存熱愛,且遠赴大洋彼岸一心求學的初心也不允許這種狀態持續,于是他逼著自己做出改變,靠夜以繼日地做實驗填補內心的迷茫,從而走出“牢籠”。
逐漸地,他在兩年的自我淬煉中脫胎換骨,找到了讀博的真正意義,并在1月9日收獲了人生中第一篇PNAS論文——在尹杰的帶領下,研發出一種能像輪胎一樣滾動、像陀螺一樣旋轉、像衛星一樣繞軌道運行的新型軟體機器人。
漆方杰(左)與尹杰(右)
用物理智能控制機器人行為
靠人工或計算機控制行為能力的機器人,往往需要電源、控制系統、傳感器等,這也使得這類機器人在性能上會有所受限,無法做得很軟。
一直以來,尹杰帶領的團隊熱衷于研究軟體機器人,他認為這是一個比較新的領域,柔軟的特性具有很大的開發潛力。為了擺脫常規機器人在操控上的人為限制,他們在結構設計和材料上下了大功夫。
“我們這款軟體機器人由帶狀液晶彈性體制成,像麻花一樣扭曲,把兩端粘在一起,形成一個類似手鐲的圓環。當它被放置在55攝氏度的物體表面時,就會自主地滾動,表面溫度越高,機器人滾動的速度就越快。”論文通訊作者尹杰在接受《中國科學報》采訪時介紹。
在發熱平板上,液晶彈性體機器人通過吸收熱量,自發產生自轉以及公轉的運動
有趣的是,該機器人能產生三種運動:第一種是從里往外翻轉;第二種是能沿著自己的圓心自轉;第三種是圍著環外的一個點轉動,就像行星公轉一樣。
這項研究的一大亮點是動力來源不同。這款軟體機器人是由物理智能控制行為,這意味著它們的行為是由其結構設計和材料決定的,而不是由計算機或人類干預來決定。
“它們能從環境中捕捉熱能,然后把熱能轉化為機械能,也就是說它們不需要電池就能自主運動。”尹杰說。
當采用熒光涂料附于機器人上時,即便在黑暗的環境中,該機器人可以完成對未知形狀的探索
“這款軟體機器人還可以像螞蟻一樣貼著物體的邊緣走。通過實驗發現,無論它被放到正方形還是三角形的空間里,它都能夠找到邊緣,并沿著邊緣運動,繪制出空間的輪廓。它還可以識別邊緣上的缺口或損壞。”論文第一作者漆方杰在接受《中國科學報》采訪時說。
“這種功能對于幫助我們導航或繪制未知環境的地圖非常有用。而且由于體軟、耐熱等特性,它可以替代硬型機器人到高溫環境中執行任務。”漆方杰指出。
投稿歷經曲折,與PNAS再續前緣
早在兩年前,尹杰團隊就已經有一篇關于“螺絲粉”(即Rotini:條螺旋狀的意大利面)機器人的論文發表在PNAS上。所以這次,他們打算沖一下Nature。
然而,最強調創新性的Nature雜志給他們“吃了閉門羹”,Nature編輯認為這次的新型軟體機器人與上一個“螺絲粉”機器人沒有太大區別。
雖然使用的材料與“螺絲粉”機器人一樣,都由液晶彈性體制成,但尹杰認為這次成果的最大賣點在于結構設計。“因為結構設計不同,使得軟體機器人的所有行為都發生了改變,形成機理也完全不一樣。它就是一個新的東西!”
為了更好地介紹這款機器人以及背后的機制原理,他們刪刪改改,前前后后折騰了很長時間,精心“打造”出長達4000多字的文章。抱著再試一試的心態,他們把文章轉投給Science。
Science的編輯認為這項研究的確非常有意思,但提出了兩個問題:一是嫌文章太長,字數太多;二是對于為什么叫軟體機器人的解釋,編輯未能被說服。沒有被秒拒,也就還有爭取的余地,只要按照編輯的問題細改,發表也許指日可待。
在改文章或者改投其他期刊間反復糾結了很多次后,為保險起見,他們最終還是決定投給PNAS。“雖然很想再堅持一下,但做科研最崩潰的就是自己的idea被其他課題組搶先發表。而這項工作已經做了很久,我們怕這個idea很快會被其他同行想到。”尹杰說。
這篇文章中介紹軟體機器人的一種全新的、周期性的運動模式,受到了PNAS所有審稿人的肯定,審稿過程很順利,只經歷了一輪便輕松過關。
“雖然投Nature和Science都失敗了,但也有一定的好處,根據這兩個雜志的編輯給出的意見,我們的確對文章做了雕琢,把這款軟體機器人的介紹、不同點、創新點講述得更加明白。這也讓我們的研究能更完美地展示出來,文章成了‘螺絲粉’機器人那篇PNAS論文的姊妹篇。”尹杰表示。
“科研讓我變得很幸運”
漆方杰
在安徽合肥工業大學工業工程專業讀本科時,漆方杰就對科研萌生了興趣。因為喜歡動手做研究,也想在工程領域增長見識,他選擇出國繼續深造。
在擇校時,漆方杰有自己的一套想法。“我就認準大城市的高校,因為大城市里不光生活便利,更重要的是有很多制造業的展覽會,我可以在那里接觸到最先進的工業設備、儀器,這種機會對日后的科研肯定大有裨益。”
最終在收到的眾多offer中,他選定了坐落在美國洛杉磯的南加州大學,所學專業為制造工程,主攻3D打印方向。
起初,漆方杰認為制造工程讀到碩士就可以了,畢業后應該去企業。但他對科研的喜愛之情日漸濃厚,決定繼續讀博。他一眼便相中了尹杰課題組,也成了本科同學里為數不多讀博的人。
尹杰
“尹老師團隊做的軟體機器人簡直太酷了!這對我們這種還停留在傳統機器人認知層面的人來說,覺得很神奇。”漆方杰剛進課題組時,正值“螺絲粉”機器人的研發工作進行中。
但他憧憬的科研生活與現實產生了割裂。以往他做的工作都非常工程化,為了得到一個結果不停地試驗、不停地調整,直到得出最好的結果。漆方杰早已習慣這種以結果為導向的研究方式,而尹杰課題組是由現象驅動進行研究。
兩種截然不同的方式產生的沖突,讓漆方杰舉步維艱。當他接到這個課題時,起初兩眼一抹黑,根本不知道從何著手。“雖然與前一種軟體機器人用的是同一種材料,但尹老師并沒對我有任何的任務要求,而是讓我盡可能地試試看。”
習慣于以前的導師指哪兒打哪兒的“死板”指揮,漆方杰未能形成自主思考的能力。“雖然學的是機械工程專業,但感覺非常不工程,反而偏向科學研究,需要自發性探索一些事情。所以一開始我真的非常迷茫,也很痛苦,是課題組里每天最晚到、最早走的,科研毫無頭緒,但內心又非常想做出點什么。”
這種無序內耗的狀態持續了半年之久,他意識到必須做出改變。同組的師兄師弟給了他很多實用的建議,比如一定要邁過心中的郁結,努力去嘗試做實驗。于是,漆方杰就像上了發條一樣,逼著自己有勁兒就往實驗上使。
就這樣做著做著,原本條狀的機器人,被他設計成了一個環狀,就像打開了新世界的大門,一切的現象、原理、機制都發生了翻天覆地的改變。他也成功蹚過“低谷期”,走上了正軌。尹杰自由、開放式的引導,給了漆方杰更高的自由度、更寬廣的發揮空間,因而進步神速。
他不再是提早下班的“摸魚人”,而是具備獨立思考和執行能力的科研人。就像尹杰常對學生說的那樣:“你們不是來給我干活,你們是給自己干活。”有了為自己熱愛的科研而努力的內驅動力,漆方杰也找到了讀博真正的意義。
“前面的過程越痛苦,后面做出成果后就越幸福!”漆方杰表示,科研讓自己變得很“幸運”,因為每發現一個新奇的現象,很可能你就是全世界第一個看到這個現象的人,這種幸福感無可替代。
論文鏈接:
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2312680121
*本文圖片均由受訪者提供
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