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时间:2019-05-09 来源:中国科学报 作者:许悦

中国科学报 姚燕安:创造科学中的艺术之美

在探索之初,姚燕安没能找到实践方法,有思考却无处施展,而几何机器人的诞生恰好为其打通了科学与艺术融合的路径。

走进位于北京市朝阳区酒仙桥街道的798艺术区,扑面而来的是浓浓的文化艺术和时尚气息,年轻人穿梭于不同的艺术展厅参观展览,或是驻足于各种建筑景观、展墙前欣赏拍照。

在诸多展厅中,有一个简洁明亮的展厅内陈列着四边形构筑起的“雪花”、伸缩的“花树”、滚动的圆柱与圆球……这些并非雕塑作品,而是可灵活行动的机器人。金色与银色交相辉映,四边形、三角形等几何图形交织穿插,一场融合了科学与艺术的“跨界”展览悄然呈现。

“我希望通过这次展览,抛砖引玉,一方面向艺术家学习;另一方面,从艺术的视角审视自己的科技艺术作品还有哪些不足。”姚燕安身着风衣站在显示着“恒易——几何机器人艺术科技展”的屏幕前讲道。

如果是突入展览的人,恐怕很难想到,这位身具艺术气息的发言者是北京交通大学机电学院教授,展览中的作品皆由其研究开发。他是一位从事机器人研究二十余年的科学家,更是一位发现、创造科学之美的艺术家。

科学之变

提到达·芬奇,大多数人最先想到的可能是卢浮宫三件镇馆之宝之一的《蒙娜丽莎》。而姚燕安脑中反映出的却不只是其艺术上的成就。

“达·芬奇是一个博学多才的人,它不仅是伟大的画家,更是科学家。他曾说,机构学是最伟大的科学。这句话也影响了我,选择在后来的研究中深入到机器人机构学中。”姚燕安说。

从本科到博士后,再到如今,姚燕安在机构学、机器人的研究与创新上从未停止过探索的步伐,几十年如一日,他坚持着对科学的热爱,并探求科学之变。

经过多年研究,名为“多模式整体闭链连杆式移动系统”的新概念移动系统在他手上诞生了。

这一系统的本质是将复杂空间连杆机构整体用于构成移动机器人的机械本体,使之具有复杂环境的高度适应能力、良好刚度以及低成本控制系统等显著技术优势。

基于多模式整体闭链连杆式移动系统,姚燕安再次求变,跳出了人们固有印象中的仿人机器人,首次提出了“几何机器人”这一全新概念。

“‘几何机器人’,是指在外形上呈现多边形、多面体等典型几何形体特征,具有可变外形能力以及折叠、缩放功能,并可实现滚动、步行、滑行等多种移动方式的机器人。”姚燕安对《中国科学报》解释道。

“过去已有的机器人虽都有其优势,但也存在弱点。比如,履带式机器人较为沉重,不够灵活;腿式机器人在复杂环境路面上不好控制。而几何机器人较之其他机器人,具有更强的变形能力,遇到不同的地势,无需模块化拆分后重新拼装,能够快速反应、适应不同的地形地貌。”

艺术之美

像达·芬奇一样,姚燕安也是一个爱科学,也爱艺术的人。

“我平时就很喜欢欣赏艺术作品、听音乐,用以放松身心。我发现艺术与科学是两种不同的境界,科学是对客观规律的探寻,具有一定的目的性,而艺术则是一种美和愉悦的享受,不具有很强的目的性。于是我思考,能否在自己的科研中融入艺术的境界,从而开始了关于科技与艺术融合的探索。”

在探索之初,姚燕安没能找到实践方法,有思考却无处施展,而几何机器人的诞生,恰好为其打通了科学与艺术之间融合的路径。

“此前,我的机器人创作一直集中在科研层面,后来顿悟,几何机器人本身就包含艺术探索空间,其自身也可以成为一种艺术形式。”

姚燕安主动与艺术家们沟通交流,观察分析舞蹈等多种艺术作品与形式,将静态的画作、雕塑等,通过外形可变换移动的几何机器人表现出来,这一独具一格的创新艺术形式,得到了艺术界同仁的认可与好评。并在798艺术区成功举办了“恒易——几何机器人艺术科技展”。

“‘恒易’一词中,恒为‘永恒’、易为‘变化’,科学求变、艺术求美,展览的举办正是为了探讨科学、艺术和人类的永恒性话题,思考如何在日新月异、动态变化的科技中,寻求历久弥新、恒定不变的艺术之美,并借由此话题,寻找未来社会人类生命体与机器人的和谐共处之道。”姚燕安解释道。

艺术科技展上,可变形移动的呈雪花状连杆机构的机器人,模拟自然界中鹿行走方式、可灵活前进后退的鹿形机器人等,深受参观者欢迎,更有许多孩子在现场亲自触摸操作几何机器人,感受科学艺术的魅力。

路途之艰

百余种已批量生产的,具有原创理念和完全自主知识产权的几何机器人产品,百余篇学术论文,90余项发明专利……果实总是美好甘甜的,但只有姚燕安自己才能体会到探索之路的艰辛与果实成熟前的苦涩。

“回顾我二十余年的机器人研究生涯,没有遇到过特别大的困难。”姚燕安回忆道,“但是一项长久持续的研究,路途中一个接一个的小困难是不可避免的。”

万事开头难,“做一个新的机器人,一个和其他人不一样的机器人”实非易事,姚燕安首先遇到的困难就是第一个机器人的诞生。

履带式、轮式……姚燕安的脑中勾画出了无数新型结构机器人的方案,却很难想象自己的第一个机器人究竟是什么样子;想出了样子,又担心是否可行,机器人是否能动;机器人动起来了,又不知动得好不好、性能如何说服客户。

“我研究新机器人第一篇论文的诞生,前前后后花了四五年的时间,而这才只是新领域探索的第一步。”姚燕安回忆道。他早已做好了持久战的准备,开辟新领域、让新领域被认可接受是一条艰苦而漫长的道路。此后,姚燕安团队又陆续发表了近百篇论文,每每看到论文评审中对其创新性的认可,都让姚燕安欢欣鼓舞,干劲十足。

有了实物,姚燕安面对的第二个“小问题”是证明产品的性能,“证明新的比旧的好”。

“每一个成果都不是温室的花朵,要经得起风吹雨打,实践是最好的检验和证明。”姚燕安说。

但他同时也表示,在科研领域,一个新产品在应用阶段需要做大量的工作,要得到大家的认可需要实践,而实践检验却不是一朝一夕可以完成的,这就导致了一种滞后,“相比之下,艺术机器人似乎更容易被接受,因为艺术领域特别鼓励创新与不同,科学与艺术的融合,是一种创新的思想。我们需要艺术界这样宽容的胸怀和允许新生事物被检验的机会”。

教育之思

除了科学家、艺术家,姚燕安更是一名常年奋斗在教学一线的大学教师。其对于科学与艺术融合的思考,自然而然地延伸到教育中。

“作为一名教师,在教授学生的过程中,我发现如今学生们能力很强,学习的条件和工具也更好、更丰富,但是最大的问题是他们不想学、没有兴趣学。”姚燕安分析道,而几何机器人恰好是一个绝佳的教学载体。

近年来,姚燕安在“几何机器人”的科学研究基础上,提出将机器人学与数学(Mathematics)、科学(Science)、工程(Engineering)、艺术(Art)以及哲学(Philosophy)思想相融合,形成了完整的“MSEAP”教育理念,即以数学和科学为基础、以工程为应用、以艺术和哲学为引导,培养具有数学逻辑思维、科学创新精神、工程实践能力、艺术美学视野和哲学普世情怀的一代新人。

“几何机器人以几何、运动学和力学知识为基础,并融合了电子和计算机软件技术,这些都是学生们需要学习掌握的。”姚燕安说,几何机器人与乐高不同,能够将绘图、加工、组装、实验调试等完整的工程设计环节呈现出来,让学生参与其中,可以培养学生系统的工程能力和手段。此外,几何机器人中蕴含的艺术成分,让学生感受到“冷冰冰”的科研也可以很美、很人性,有利于激发学生的兴趣。

“最后是教育中蕴含的哲学,要让学生懂得原理和道理。正所谓‘道生一,一生二,二生三,三生万物’。基本元素创造出几何机器人,是从无到有的创造过程;进行组合变化,是基本规律的上升,同时,在学习过程中体悟创新之道,则万物皆可创造。”姚燕安解释道。

创造科学中的艺术之美,培养学生领悟创新之道,在这两条道路上,姚燕安将会继续走下去。

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