機械工程資深導師杜克博士后：關于機器人科研的專業(yè)建議！

作為科研的大熱門方向，機器人是無數(shù)學子向往的學科。現(xiàn)在的不少學校更是讓孩子從小練起，早早地就在小學就開設了機器人編程課程。但僅僅讓機器人動起來是不夠的，我們的目標是讓機器人動得更好。

今天我們邀請了機械工程方面的資深導師，來為我們大起底研究機器人學科需要的具體能力，并為想要進行機器人相關科研的學生提出一些專業(yè)的建議！

翰林有方O導師

• 杜克大學電子計算機工程博后研究員，普渡大學機器人學（信息工程排名全美第四）博士；
• 研究領域為機器人控制，多機協(xié)同，面向自動駕駛的聯(lián)合感知等；
• 發(fā)表四篇一區(qū)期刊，十余篇國際頂級會議，學術功底深厚，教學經(jīng)驗豐富。

對于機器人這一大熱方向，O導師有自己獨特的見解和看法。究竟什么樣的學生適合研究機器人？機器人相關課題在科研賽事中又有什么樣的優(yōu)勢？對機械工程/人工智能/自動化等有興趣的同學趕緊來一起學習吧~記得收藏文章哦！

#以下為O導師第一人稱敘述

01“年輕又古老”的機器人學科

Q：您為什么會選擇研究機器人？

A：家里長輩都是工科專業(yè)畢業(yè)，在他們的耳濡目染下，對相關領域產(chǎn)生了興趣，本科就選擇了機械工程專業(yè)。

當時我們學校組織了一些面向大一新生的學術報告會，我們可以自由報名感興趣的場次、了解該方向的前沿知識，我選擇的是一場關于機器人的報告會。在現(xiàn)場，我聽到了德高望重的老院士介紹他們課題組歷年以來做過的所有機器人，深深地吸引了我，也越發(fā)堅定自己深耕機械工程專業(yè)的信念。
設計機器人并非易事，在本科四年間，我通過課程積累了不少學科知識，包括機器原理、力學分析等，為將來的從事機器人設計打下了較為扎實的基礎。為了加深自己在機械工程領域的造詣、搭建能夠自由移動的機器人，我去浙大讀了研究生，增加了自己在電子方面的知識。

在讀研期間，我發(fā)現(xiàn)國內(nèi)的機器人自動化技術比較領先，但關于如何統(tǒng)籌多個機器人高效完成一項任務，當時國內(nèi)并沒有相關研究。我對這個方向很感興趣，于是前往杜克大學進行機器人協(xié)作研究。

Q：機械工程專業(yè)有哪些研究方向細分？中、美大學的研究重點和培養(yǎng)模式有哪些不同？

A：機械工程是一個很大的專業(yè)，國內(nèi)和美國囊括的細分方向不同。國內(nèi)的機械工程包括工程制圖、機械設計、機械加工等各個分支。機械工程也很適合與其他學科結合進行交叉研究，比如與電器相關可以研究機電系統(tǒng)，與芯片相關就變成芯片加工。

國外把較為前沿的納米工程、偏理論的機械控制、以及生物材料、化學材料、空氣/流體力學等方向也歸入了機械工程，使得學科構成變得更為龐大，讓我得以接觸更多優(yōu)秀的教授和研究員。
國內(nèi)和國外的培養(yǎng)風格也不同。國內(nèi)強調(diào)“學得精”，力求深耕本專業(yè)，優(yōu)勢是術業(yè)有專攻，利于培養(yǎng)細分方向的頂尖人才，同時注重多方向融合；國外偏向全方位發(fā)展，要求學生“學得廣”，優(yōu)勢是能夠鍛煉學生邏輯思維、系統(tǒng)性思考能力。

從研究內(nèi)容來說，國內(nèi)的優(yōu)勢在于強大的執(zhí)行力，能夠把一個想法很好的落地；國外比較善于提出問題、開創(chuàng)新的研究方向，從而引領研究潮流。

Q：說到機器人的結構與需求，這是一個類似“先有雞還是先有蛋”的問題。人們可以根據(jù)現(xiàn)有的機器人結構來思考其應用場景，也可以根據(jù)某一特定需求來設計與之相符的結構。您是怎樣看待機器人的“結構與需求”之間的關系？

A：機器人是一個既年輕又古老的學科。說它年輕是因為機器人研究在近二十年發(fā)展非常迅速，高效率、老齡化嚴重、青壯年勞動力不足的時代背景讓更多人開始關注機器人，成為加速行業(yè)發(fā)展的契機；說古老是因為它的歷史悠久，諸葛亮發(fā)明的糧食運輸工具木牛流馬算是古代早期機器人的一種。

通過前人積累的大量研究經(jīng)驗，大家對什么樣的機器人適合什么工作已經(jīng)達成一定共識。當你需要處理某個任務時，你對機器人結構、大小等這些有心理預期的，我們可以利用現(xiàn)有的資源和成品，做出具有針對性的改進，這是現(xiàn)在機器人研究的核心。

機器人是一個極其復雜的研究領域，需要每個自然學科/工程學科貢獻最核心的知識點，是各學科的“集大成者”，它的跨學科特性也正是其“年輕”的體現(xiàn)。

02研究機器人對中學生來說很難嗎？

Q：如何把前沿的研究內(nèi)容轉(zhuǎn)化為中學生也能做的科研項目？

A：中學生做科研主要有兩個關鍵因素：足夠的知識積累+合適的老師。

對于有研究熱情的學生，我會毫無保留地傾囊相授，給學生灌輸相應的學科知識和學習體系，引領他們進入機器人研究領域。我是一個比較清楚自己要什么的人，在本科階段確定了自己未來的發(fā)展方向后，所有努力都是在為達成目標在鋪路。所以我希望學生能有自己的想法、以及為之奮斗和鉆研的熱情，我會作為聯(lián)結夢想與現(xiàn)實的“引路人”，帶著TA們一起去實現(xiàn)。

如果用做菜類比科研，首先你得學會洗菜切菜、開火熱油，這是做菜的基礎技能，帶入到科研就是鍛煉綜合能力，閱讀、信息檢索等，以及掌握工具學科的原理，最初做不了深入的分析是很正常的。就像在搭建一個機器人前，你得知道每個零件如何設計、用什么軟件設計、設計軟件怎么用等知識。在打好基礎后，學生可以根據(jù)研究主體進行針對性學習，對一個目標深入度挖掘。
如上圖所示，對于機器人研究，我主要把它分為三個階段。每一步都是研究的重要基石，如果能在每個階段有所產(chǎn)出，那最后設計出來的機器人就會比較成功。

要做出一個好的科研需要大量積累，儲備的知識越多、能想到的程度就越深、研究也會更扎實，而在做實驗的過程中，學生免不了會碰到困難。

Q：有哪些讓您記憶深刻的跨學科研究案例？

我見過最“遠”的跨學科案例是心理學+機器人。

我在讀博期間認識了幾位研究兒童抑郁癥的心理學教授，他們想做一個能夠提供治療手段的機器人，這是一個非常新穎的跨學科研究。
在教授的介紹中，我們了解到很多患有抑郁癥的孩子有一定自閉傾向，他們不愿意和陌生人溝通、與“人類”建立情感的耗時較長，也無法通過別人的面部表情識別他們的情緒。教授們希望可以通過機器人反復展現(xiàn)面部變化特征，以此形成學習過程，幫助孩子們辨別各種情感。

還有“自動駕駛+機器人”，利用機器人視覺讓汽車“看”路；“生物+機器人”可以結合近期由工程學主導的生物學發(fā)現(xiàn)實例，選擇單腿或多腿機器人作為研究對象，制作仿生腿運動機器人，這也是我擅長的領域之一。

O導師在采訪中提到了“生物+機器人”的研究領域，目前翰林有方的課題庫也有O導師帶教的相關課題。對機器人感興趣的同學可以掃碼咨詢課題詳情哦！

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03做科研的核心是鍛煉解決問題的能力

Q：什么樣的學生適合跟您做科研？

A：對機械、電子、控制、軟件工程感興趣的學生都可以跟著我做研究，我會基于他們的想法來設計有趣、且具有創(chuàng)新性的課題，最后可以有實物產(chǎn)出。

現(xiàn)有的機器人產(chǎn)品不一定能代表學界前沿的研究成果，市場有滯后性，而我們做的是既前沿、又可以投入大規(guī)模商用的機器人。根據(jù)研究方向和具體用途，做出來的機器人大小也各不相同，可以是大到需要在研究所才能完成的機器人、也可以是只需一臺家用3D打印機就能做出來的小機器人。

翰林有方學術S老師
機械正在朝著更加智能、精準的方向發(fā)展，O導師設計的項目都會在很大程度上考慮落地效果，非常適合工程類的賽事，如ISEF、青創(chuàng)賽、丘獎等，項目方案綜合考慮成本、精度和識別率等等方面的指標，以便于智能機械能夠得到更好的普及。

A：了解到您之前也有帶過高中生和大學生，您的帶教/授課風格是怎么樣的？學生在學習的時候遇到了困難，您會怎樣指導他們？

比起直接給出答案，我更喜歡做引導式教育，為他們指出大方向，布置相關文獻閱讀任務。經(jīng)過學生的自主思考后，我們再來探討如何處理問題。

當學生在研究過程中碰到了困難，我們會進行一場會談，分析研究的進展，找到問題出在哪里，梳理解決思路，一步步化解困難。這樣的思維培養(yǎng)對孩子的成長是很重要的。

翰林有方說

零基礎的同學也不用擔心，我們會根據(jù)每位同學的基礎設計前置課程。翰林有方學術老師會帶學生進行工具學科的學習、相應學科知識的補充，確保同學在導師課開始前擁有足夠的知識儲備。

學術老師還會定期觀看課程錄播、進行學術評審，確認學生的學習進度和吸收情況，并及時反饋給家長，避免出現(xiàn)學不懂、不敢問、跟不上等情況。

Q：做科研可以提升中學生的哪些能力？

A：做科研是一個提升學生綜合素養(yǎng)的過程。做科研需要了解該學科的基礎知識和研究技能，這可以增加知識儲備；做科研需要進行辯證思考，反復思考這么做是否可行、這樣設計是否合理，培養(yǎng)邏輯思維能力。

做科研會遇到各式各樣的問題，無論是上網(wǎng)檢索、詢問老師還是在老師的指導下自行鉆研，這都能鍛煉學生解決問題的能力。不僅如此，學生的閱讀能力、寫作能力都會得到訓練，對于做研究的流程也會更加熟悉。

Q：機械工程、人工智能是現(xiàn)在比較熱門的申請方向。擁有一段相關的研究經(jīng)歷會對申請大學帶來哪些幫助？

A：我認為主要在兩個方面：學術積累和背景提升。一段科研經(jīng)歷可以給學生將來的學習打下堅實的基礎；而擁有一個具體的研究成果，包括做出了一個機器人實物、發(fā)表了期刊，甚至在比賽中獲獎，這些都能成為學生熱衷于機器人研究的佐證，在申請材料中樹立一個豐滿的“人設”，給大學招生官留下鮮明的記憶點。

再次感謝O導師的傾囊相授！從老師的身上，我們能感受到對科研持續(xù)的追求和對自身的高要求，相信大家也能從采訪中受益匪淺。