第434期【齐悦读—线上共读—透视新科技】 “齐悦读”[线上共读] 《水下机器人大赛》
讲座题目：透视新科技——水下机器人大赛
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：文 力，北京航空航天大学教授。
叶 盛，北京航空航天大学教授。
讲座时间：2023年2月27日～3月5日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——水下机器人大赛
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》，我是主持人胜春。2020年9月16号第四届全国水下机器人大赛在大连举办，这次共有22支队伍参加了比赛，比赛的内容就是让这些水下机器人在水下抓取那些像海参、鲍鱼等等这些海产品。这些水下机器人它们表现如何呢？让我们通过短片去了解一下。2020年9月16日，第四届全国机器人水下大赛在大连开幕，22支队伍开展了以捕捞人工养殖海洋动物为主要内容的比赛。这次大赛中多支赛队在目标识别、水下抓捕系统、以及智能化控制技术等方面有了新的发展与突破。那么这些水下机器人表现如何?未来它们能替代人工进行海洋捕捞吗?好，短片过后，欢迎回到我们演播室当中，首先我们给大家介绍一下今天请到的两位嘉宾，这位是北京航空航天大学的文力教授，欢迎您！主持人好！观众朋友们好！另外一位是我们的老朋友，也是北京航空航天大学的叶盛教授，欢迎您！主持人好！观众朋友们好！水下机器人大赛这个机器人能做什么呢？
两个方面：第一方面是利用水下机器人去探测目标，就看到我们需要找的这个物体。第二点就是对这个目标进行针对性的作业，比如说我要抓取这个目标，或者对这个目标进行操作，比如说在水下拧一个阀，在水下做一些目标物的修补，所以说水下机器人主要存在这两方面的作用。一般参赛的选手都是由什么人来组成的？一般参赛的选手由高校、研究所的研究人员或者老师带领学生下面的研究生甚至本科生这样组成一个队伍。这个参赛的人员是有限制的吗？参赛人员没有限制，这个比赛它本身还是有一定的技术门槛的。因为很多的科研机构希望借助这个比赛来验证它的一些新的思路、新的技术，还有新的算法等等，所以说这个比赛是一个很好的平台。但是我们也知道英雄不问出处，所以说你只要有一个机器人，它能够完成这项任务，你是可以来参赛的，甚至你可以取得很好的成绩并拿到奖。说到这儿，可能我们电视机前有很多科学爱好者，他们听到了你这个水下机器人大赛的这样的消息，可能来年要报名参赛，这有条件限制吗？没有，据我所知没有。
无论是科研机构还是个人，还是比如说商业的公司，甚至咱们的中学生朋友，我觉得只要你喜欢，你有这个能力，你能拿出这样一件产品来参加这个比赛都是可以的。这次咱们这个全国水下机器人大赛在大连赛区的这个比赛，然后决赛阶段，我是在现场亲自去看了这个比赛的，所以感触也是非常地深。因为我自己，其实我的本科是做自动化专业这方面的研究的，但是实际上是进入博士阶段才开始进入生物学领域的。所以我对自动化应该说是有一种很深的这样一个感情，所以能够在现场看到这样的水下机器人大赛，我还是挺激动的。作为我们普通人来看这个机器人大赛的时候，看的更多是热闹，从科学的角度，您看这个水下机器人大赛，你觉得它的意义在哪里？这个意义其实还是非常多的，我觉得特别重要的一点，就是人类其实从科学上来讲，对于海洋的了解仍旧非常非常有限。你看在陆地上，我们可以去往任何地方，而天空相对来说，它的环境比较单一一点，而且我们有各种各样的飞行器，可以在天上去飞行。反而是这个海洋，这个孕育了所有地球生命的摇篮，我们对于它的了解是非常非常有限的。所以未来的话，我想我们对于海洋资源的利用，以及对于海洋资源的一个保护，自然环境的一个保护，包括我们海疆的这样一个保护，有很多方面都需要利用到水下的这种机器人，这样一个自动化的技术。那么这种技术能够大大地拓展我们在水下进行种种作业的这种能力，而且能够为我们提供一个全新的这样的一个技术平台和一种能力的拓展。
水下机器人只是机器人众多门类中的一小类，但在海洋捕捞、海洋勘探等行业，具有无法替代的地位。如何才能研发出可以应用于生产的水下机器人？水下机器人大赛为科研人员提供了一个相互交流和学习的平台，那么这次大赛设置了哪些比赛任务？水下机器人是否能顺利完成考核任务呢？既然我们知道了举办这个水下机器人大赛的目的和意义，我们聊聊这次我们水下机器人大赛到底它都布置了哪些任务，这些机器人又完成了什么？这次的任务主要分成三个，第一个叫目标识别大赛，就是在海底撒满像海参、扇贝、海胆这些物体，然后让机器人走一遍，看一下你识别到了多少目标物，检验的是你的机器人的视觉的能力和算法，这是第一个。第二个就是指人机协同的抓取比赛，就是用人操作机器人下去，然后利用机器人的眼睛，人摇（控）操作这个机器人，实现对这些目标物的一个抓取。看你在单位的时间，比如说40分钟之内抓了多少个这种海珍品，就数个数。第三个就是自主抓取，就是人的手完全离开遥控器或者键盘，不能对机器有任何的干预和操作。让机器人自主地从你放机器人下水，到机器人到海底整个的这个作业过程，看见目标和做抓取。整个合在一起，你最后实现多少个目标物的收集和抓取，分为这三个内容。
我怎么觉得我们的这个参赛内容的设计，有点像为海水养殖考虑的。这确实是一个非常现实的这么一个目标了，就是说这样的机器人研究，它确实能够解决您刚才说的海产养殖的这样一个现实的问题，的确是这样。但是我想这个问题也非常有代表性，因为在这样的一个问题的解决的过程中，它其实体现了水下机器人所需要面临的几方面的问题，比如说，你能不能够去识别周围的环境，你的摄像头拍到东西了，你知不知道你拍的是什么，这其实就是一个人工智能的图像识别的一个问题。再有就是你要抓取，你首先要定位，你要把自己稳定住，那么这就涉及到机器人在水下的姿态控制问题。最后你要抓取，你总要有一个机械手吧，那么这就是一个执行操作的机构。所以看似这个问题好像特别地有一个实用的这样一个面目，但其实它背地里实际上是包含了几大方面的这样一个水下机器人的主要的面临的问题。
散养的海参、海胆等海珍品通常采用人工潜水的方式进行捕捞，这一工作看似简单，实际上非常危险并且复杂。潜水作业需要极高的个人技巧以及严密的团队配合，另外水下的高压和低温，又对潜水员身体素质提出极高要求，能成为潜水员的渔民少之又少。潜入海底的机器人能否顺利完成任务，在完成任务的过程中，它们又将面临哪些困难？既然我们知道这个科目的设置，我们也说说具体操作起来，它的困难和难度都体现在哪些方面？这三个方面，它背后的难度有所不同，第一个是目标识别，这个当中难点就在于我们通常有过潜水（经验）。在水特别清澈的地方，我们看见水下的目标还好，但是如果在水比较浑浊或者光线比较暗的地方，怎么样能够看到目标物？同时要知道目标物是不是要找的，比如说我们的海参或者是（其他）海珍品。第三就是要定位目标物跟机器人的这么一个相对位置，这个是它目标识别的几大难点。对于人机操作来讲的话，它的难点就在于机器人它的机动性好不好?你的抓取的机构，或者说叫结构，它运动的能力怎么样？第三点自主抓取，就是前两个问题的一个总和，就是你是否能够成功探测到物体，定位物体，最终再抓取物体，完成一个无人参与的这么一个自动化的过程。
我觉得在识别上首先是有难度的，这个机器人在看的时候你到底是扇贝还是鲍鱼，这可能会有判断上要很多的计算才可能做得到准确吧。第一点就是看见并识别物体，这个里面包含了在浑浊的水下，首先能够发现目标物，然后清楚地识别到这个是你想要抓的物体，并定位这个物体到底在什么地方，和你机器人的相对位置，我觉得这是第一大难点。这（是）目标识别的难度。对。它解决的办法是什么呢？它解决的办法就是利用我们的图像处理技术和计算机技术，它能够首先将浑浊的水面实时地变得清晰。第二步就是提取目标的物体，并标定这个目标物体所在的位置。这个背后有一项跟人工智能相关的技术，就是我们会在比赛之前，给机器的视觉提供大量的这种海参扇贝的图片，让它进行一个学习，自己通过神经网络的学习就可以知道，当我下次再看到水下看到是海胆的时候，它就自动标定出来海胆或者说扇贝。当然这个在实际当中是有一些挑战，但是在它的技术层面是这样操作的。这种人工智能处理图像的这种技术现在应用得非常多，特别是在这次（新冠肺炎）疫情中，大家可能都注意到了有的时候这个摄像头不仅能测温度，它还能够进行人脸识别。甚至你戴着口罩， 它一样能进行人脸识别。这个其实是很合乎道理的，比如说咱们已经很熟了，我很认识你，你戴上口罩，我一样可以知道这是你的一张脸，所以其实人工智能在图像识别这方面相对来说还做的是比较成熟的。那么这个技术其实就是用到刚才文教授所说的，如何去识别海底的这些要捕捉的目标上面。
这些所谓的海珍品，它在海底还是有一定的位移的，虽然行动不是那么快，不像鱼那么快，有一定位移的。所以这个相对起来操作的难度，怎么体现出来？我想这里边首先最开始还是识别这个问题，我觉得这个问题就挺难解决的，像因为我在现场看到了这个画面。你从机器人拍出的画面看，整个这个水下环境基本上就是一个蓝绿色的一个环境。因为红色的等这种波长的光可能都被海水吸收掉了，到达底下的光基本上就剩下蓝绿色了。另外，再加上我们的海深，海水的这个深度基本上是在5米到10米之间，那个光照已经变得很弱了，所以你看有些参赛队，他们拍到的画面，你看到就是很模糊的一片绿色。然后沙子也是绿色的，海水也是绿色的，然后扇贝也是绿色的，所有东西全是绿色的，那这个识别就很困难。而像我们北航这支队伍，我当时也现场看到，它拍的画面其实是彩色的，就是这里边首先就有一个图像的处理问题。然后你有一个相对清晰的图像，我们才能去进行进一步的识别，再然后就是您说到抓取的问题了，其实我们还真没有看到现场说，当它想抓取扇贝的时候，这个扇贝突然跑了，这种情况倒没有出现。但是更可能出现的是什么呢？
当我想抓取的时候，我这个机体反而发生晃动了，这个晃动是海水（流动造成的）。水下是有海流的，特别是在早晨和晚上，因为早晨和晚上有潮水的变化，当时海流还是很强烈的，能明显感觉到这个机器人是在顺着海流在漂移。目标没有动，但你自己动了，这个肯定也会对抓取造成一定的困难。海里头它有很多洋流，这个洋流会干扰机器人，机器人会左摇右晃，但是我们都知道人在左摇右晃，当你要去抓取一个物体的时候，成功率就会下降。这个对于机器人来讲，同样也有这样的问题。所以说怎么样在机器人左摇右晃的时候，依然能抓到物体，这就是一个难点。这就涉及到机器人的重量等等，太重了走不动，不飘，太轻了，走得动又飘了，是这个概念？对，所以它就采取的方式，就是要利用自动化，还有控制的方式，让机器人在水下能够抵抗洋流，让自己自身变得更加稳定，同时在这个时候再伸出自己的手，实现目标物的抓取。我举个例子可能大家都能够感受到，就是咱们现在很多人玩这个无人机，无人机大家如果熟悉的话，知道它的便宜的产品和贵的产品之间差的很多，那些贵的贵在哪儿？一个是它可能载重量比较大，再有一个就是你在不控制它的时候，它能够在空中稳定住，即使有风过来，它能够自己保持一个稳定。这个其实跟我们的水下机器人，在水下要做的事情其实是非常相似的。
那这里边另外还有一个难在哪儿呢？漏水，大家想想我们如果坐船出海，你最怕的是什么？怕船进水了，其实水下机器人面临同样的问题。防水的问题。里边全是电机等等这样的一些电子器件，就怕水。一旦漏水了之后，就会出问题。实际上我们在现场看到，就有这样的参赛队的机器人下水之后，发现总是不能够正常操作，结果最后检查发现是漏水了。你看我们人手的触觉，在抓取一个海珍品的时候，无论你是海参还是扇贝，我们大脑是有一个计算系统的，告诉你这软的应该怎么抓，硬的应该怎么抓，但是机器人怎么做到这一点？作为机器人来讲的话，过去的话刚性的抓手，它确实有可能如果力道控制不当，它有可能会把这个海珍品出现一些破损这方面的问题，但是随着材料技术逐步地融入到机器人之后，逐步出现了像柔性机器人和软体机器人，这样的话它的抓手本身会变软，这样的话在抓取的过程当中不会破坏目标物。机器人它怎么分步骤把这东西抓起来，然后放稳了，最后放到我们的收集筐里呢？
这次我在现场看到的比赛，我就发现各支队采用的策略是非常非常不同的，有的机械手它就更像我们在工业现场看到那种就好像能够做很多自由度活动，那它就抓起来这个目标之后，它就能够直接放到自己的收集筐里。但有些就做的很简单，它就是很简单两个大钳子夹住，往后一倒就倒到自己这边来了。所以各种不同的设计，可以说是精彩纷呈，但是我们现场看的时候也很着急，因为就看到这种怎么抓也抓不起来，或者明明抓起来了，却没有放到自己的筐里，这种现象都有发生。所以说这些抓取机构的设计，我觉得可能更多的是它最初的原始设计思想是什么，你采用了怎么样的一种策略？这个策略的可靠性怎么样，容错性怎么样？这些可能都是会影响到它最终产品实际的抓取的一个效率的，所以这个还是一个挺重要的一个，在自动化领域的这么一个学问吧。
机器人要在水下环境中高效作业，就必须有完善的目标识别系统和抓捕机械手系统。水下环境幽暗浑浊，能见度低，机器人的目标识别系统需要较高的分辨率，并能在亮度较低的环境中发现目标。在自主对目标进行识别时，还需要将抓捕的对象精确识别出来，并指挥机械手进行抓捕。水下机器人的机械手不但要保证抓得牢，还要保证抓握力度适中，不会损伤被抓握的海珍品。这一看似矛盾的要求无疑加大了设备的研制难度，那么各支赛队在比赛中表现如何？我在想既然是大赛，比赛就带有一定的激烈程度和竞争在里面，你们在现场有没有看到这种激烈的场面或有趣的场面给我们回忆一下。这个有趣的场面，就是每一个参赛队，它用的机器人的形式都是不一样的，有大的有小的，然后机器人的臂有刚性的，也有软的，像一个章鱼臂一样的。所以说它的解决方案是非常不一样，但是最终都要达到同样一个目的，就是它的比赛的规则是一样，就是比谁抓的多，这是非常简单直白。尤其让我印象深刻的这次比赛场地是在一个浮岛，让我感觉到周围全是海，就我们在一个岛上，然后把机器人放下去，然后进行抓取，我觉得这个是最大程度模拟了真实的海洋环境。
整个比赛过程当中，包括你们看到的画面，包括你们看到选手使用的机器人，以及它们的计算方式，会有让你们惊讶的地方吗？我觉得会有，首先从抓取的结果上来看，今年是2020年，我知道相比第一年（2017年）比赛的时候，它的比赛效率至少提高了10倍以上，这个怎么理解？就是抓取的结果，就是单位时间抓取扇贝提高了10倍以上。以前比赛的时候可能就抓几个，就已经算是很好的成绩了，这次的话我们至少在现场，我看到有抓了78个的，这就已经是非常大的一个提高。整个这个比赛的时长是40分钟，这就意味着基本上一分钟可以抓取两个，对于机器人来说，这已经是一个非常巨大的进步了。至少我们如果在这样一个数量级上，它就具有了一定的实用的价值了。这种数据上的变化，我们听从几个到七十几个，听起来差距很大，对于我们办大赛的初衷，最后这些技术能够应用在科技领域，或者我们生活当中，这个距离有多远？我认为在可预见的未来，可能3到5年之内，首先来讲这个结果还有可能再会继续出现一个巨大的增长。那么我认为这个时间从时间的尺度来讲的话，有可能在未来的5年之内突破一到两项关键技术，尤其是这种人参与到机器的操作当中会越来越少，就是它的自动化程度，这方面会进一步提高。就是它的摄像头，它的机器人的手眼协同能力会进一步提高。这样带来的一个好处是什么呢？
就是你现在虽然说一个机器人，但是上面可能有四五个参赛队员还在操作它，调试它，以后的理想状态就是一个人，或者两个人带着一台机器扔下去，然后这两个人就看着机器自己抓，我认为这是一个未来我们所需要努力的一个目标。如果能达成的话，我觉得就可以叫它智能的水下机器。你觉得通过这几届给我们科技界带来的启示有吗？我觉得对于科技界的启示就是，第一个启示就是实验室是实验室，实验室的技术到了实际的情况下，一定要到实际的真实的环境下面，进行多测试多测评，这样才能了解自身的问题所在。再回到实验室，对相应的技术或者科学问题进行整理，所以这个是一个来回的一个过程。我觉得最大的启示就在于，如果要把一个关键技术要落地，那么一定是要在真实的这种环境，或者说应用的场所去进行，多去测评，多测试。
实验室的实验跟现场的实验的区别是什么？刚才文老师说的这一点，我还是很有感触的，因为我自己其实是做基础科学研究的，可能更多的工作是在实验室里面。那么这次在现场看到这样的一个机器人大赛，我们就很感慨。说这个你能不能够在实战环境中去检验你的产品，这是非常重要的。因为我们有一些参赛队来自大连周边的这些大学，他们每天都可以把自己的机器人放到海水中去进行测试。当时参赛的还有另外的学校，像我们北航，还有像有一所学校是来自西安的，来自西安的那所学校。是内地的城市。对，他们的那台机器人说是在自己那边，在游泳池里边进行了充分的测试表现非常好，但是一到海水里之后就表现非常差。所以我们都是感慨，说他们唯一输在说他们那儿没有海，所以这就是实验室的技术和真正在实际应用环境中的技术这种巨大的差距。我觉得这个确实是我们这个比赛，比如国家自然科学基金委员会所资助主办的这样一个比赛，其实是为大家提供了一个很好的这样一个平台去验证这些技术，而且去做这个交流，其实这种比赛可能更多不是在比谁好谁差，而是说给大家相互交流相互学习的一个机会，我想希望能够在更多的领域有更多的这样的比赛，这样其实能够更好地去推进从实验室到真正产业化的这样一个技术的转化。
水下机器人大赛的特点是比赛场地完全在自然海域中进行，抓取对象也是日常的海产品，真实的环境真实的目标，使选手们研制的机器人也走出了实验室，有了进入实战的机会。这一机会增加了选手们的设计经验，使得部分参赛机器人在四年时间中快速完善，成为接近实用化的产品。那么通过机器人大赛，未来还将使水下机器人的哪些技术得以发展和提高？通过这几年的比赛来看，参赛的机器人在技术上有哪些改变？未来还会有什么突破吗？我觉得从这几年的发展，从最开始2017年到现在，我觉得看到了以下几点变化。第一就是机器人，本身它的稳定性，在海洋当中对抗洋流的能力，有了显著的提高。最开始的时候，甚至有机器人到不到海底，然后半途而废了。然后直接就打捞上来，就相当于是比赛失败。到了今年（2020年）的话，所有的机器人至少都能够成功的到达海底，然后比赛的抓取的结果先不论，但是都可以到达既定的目标位置，这是第一个提高。第二个提高就是它的作业的工具，这个方面它的灵活度、速度，还有它的效率得到了一个明显的提高，这是第二点。如果（有）第三点的话，就是它的自主能力，就是没有人参与的情况下。今年大连理工的队，它的自主就是完全无人，它就获得了一个比较好的成绩，抓了比较多的这种目标物。这个就是我认为它的这种整个系统，这个机器人系统的稳定性，还有它的算法，包括它的机构综合达到了一定的水准。
我们最后大胆地畅想一下，2017年开始了这项比赛，每年一届，今年也是2020年了，未来到2030年2040年，我们的水下机器人跟我们科幻片还相距多远？我觉得这个可能是说，这个会是一个指数上升的这样一个发展的速度。因为我们看到这几届以来，人机协同这个环节抓取的数量已经大大提高了，而刚才文教授提到的这个自主环节，其实以前可能你能抓到就是冠军了。而今年，刚才文教授也提到了，有一支队他们在自主环节居然抓到了11个扇贝。这就跟以前比起来，已经是一个质的飞跃了，那么再过一两年，其实不一定到2030年，可能再过一两年，我们就能在自主环节也能抓上几十个甚至上百个。那么我想这可能会给我们生活带来什么呢，一方面，首先在水产养殖这个领域，他们就可以真正去应用这种技术，如果我们再把思路放得更开一些，来开一下脑洞的话，也许以后我们的“吃货”，就可以躺在家里的床上，拿着手机遥控一个远在深海中的一个机器人，帮他抓取扇贝，你抓的扇贝就会给你直接快递到你家里边。这不仅仅是科学思路，也带有商业思路。所以你看真正的科技是能够改变我们生活的方式的，我们可能在那天没有到来之前，我们都想象不到这样的事情。
海鲜原产地直采直邮是这样。就是这样，有这个可能性。您的畅想是什么？我的畅想就是，未来的我们到达的深度，机器人到达的深度可能是更远更深的地方，当然海珍品的采捕是一方面，但我们也可以放到对于科学的探索，新的生物或者物种的探索，要帮助这些海洋生物学家去探索新的物种。比如说不同深度的水域的物种，或者说是发现一些新的能源的地方。比如说水下的冷泉，当这个机器人具备了一定的自主能力，这样对咱们的科学家来讲的话也是一个福音。今天应该说非常感谢两位科学家来到我们演播室当中，跟我们探讨这个关于水下机器人的话题，可能对于我们的老观众来讲，觉得你们今天这个话题说得有点轻，其实很多事情我们说都要从娃娃抓起。我们从水下机器人从最基础做起的时候，当它的自动化程度不断提高，当它的科技含量不断提高的时候，我们未来可以想象到很多行业，水下养殖业、水下捕捞业，甚至是海底资源的探测，都是可以用上今天我们可能雏形的水下机器人。所以在这里也感谢各位收看我们今天的《透视新科技》节目，如果您想了解我们更多的节目内容，可以下载央视频去在上面收看我们的节目。好了，我是胜春，咱们下期节目再见。
（通讯员 邓辉）
