機(jī)械工程資深導(dǎo)師杜克博士后：關(guān)于機(jī)器人科研的專業(yè)建議！

作為科研的大熱門方向，機(jī)器人是無數(shù)學(xué)子向往的學(xué)科。現(xiàn)在的不少學(xué)校更是讓孩子從小練起，早早地就在小學(xué)就開設(shè)了機(jī)器人編程課程。但僅僅讓機(jī)器人動(dòng)起來是不夠的，我們的目標(biāo)是讓機(jī)器人動(dòng)得更好。

今天我們邀請(qǐng)了機(jī)械工程方面的資深導(dǎo)師，來為我們大起底研究機(jī)器人學(xué)科需要的具體能力，并為想要進(jìn)行機(jī)器人相關(guān)科研的學(xué)生提出一些專業(yè)的建議！

翰林有方O導(dǎo)師

• 杜克大學(xué)電子計(jì)算機(jī)工程博后研究員，普渡大學(xué)機(jī)器人學(xué)（信息工程排名全美第四）博士；
• 研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)器人控制，多機(jī)協(xié)同，面向自動(dòng)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(jí)會(huì)議，學(xué)術(shù)功底深厚，教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富。

對(duì)于機(jī)器人這一大熱方向，O導(dǎo)師有自己獨(dú)特的見解和看法。究竟什么樣的學(xué)生適合研究機(jī)器人？機(jī)器人相關(guān)課題在科研賽事中又有什么樣的優(yōu)勢(shì)？對(duì)機(jī)械工程/人工智能/自動(dòng)化等有興趣的同學(xué)趕緊來一起學(xué)習(xí)吧~記得收藏文章哦！

#以下為O導(dǎo)師第一人稱敘述

01“年輕又古老”的機(jī)器人學(xué)科

Q：您為什么會(huì)選擇研究機(jī)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(duì)相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)生了興趣，本科就選擇了機(jī)械工程專業(yè)。

當(dāng)時(shí)我們學(xué)校組織了一些面向大一新生的學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)，我們可以自由報(bào)名感興趣的場次、了解該方向的前沿知識(shí)，我選擇的是一場關(guān)于機(jī)器人的報(bào)告會(huì)。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(jī)器人，深深地吸引了我，也越發(fā)堅(jiān)定自己深耕機(jī)械工程專業(yè)的信念。
設(shè)計(jì)機(jī)器人并非易事，在本科四年間，我通過課程積累了不少學(xué)科知識(shí)，包括機(jī)器原理、力學(xué)分析等，為將來的從事機(jī)器人設(shè)計(jì)打下了較為扎實(shí)的基礎(chǔ)。為了加深自己在機(jī)械工程領(lǐng)域的造詣、搭建能夠自由移動(dòng)的機(jī)器人，我去浙大讀了研究生，增加了自己在電子方面的知識(shí)。

在讀研期間，我發(fā)現(xiàn)國內(nèi)的機(jī)器人自動(dòng)化技術(shù)比較領(lǐng)先，但關(guān)于如何統(tǒng)籌多個(gè)機(jī)器人高效完成一項(xiàng)任務(wù)，當(dāng)時(shí)國內(nèi)并沒有相關(guān)研究。我對(duì)這個(gè)方向很感興趣，于是前往杜克大學(xué)進(jìn)行機(jī)器人協(xié)作研究。

Q：機(jī)械工程專業(yè)有哪些研究方向細(xì)分？中、美大學(xué)的研究重點(diǎn)和培養(yǎng)模式有哪些不同？

A：機(jī)械工程是一個(gè)很大的專業(yè)，國內(nèi)和美國囊括的細(xì)分方向不同。國內(nèi)的機(jī)械工程包括工程制圖、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械加工等各個(gè)分支。機(jī)械工程也很適合與其他學(xué)科結(jié)合進(jìn)行交叉研究，比如與電器相關(guān)可以研究機(jī)電系統(tǒng)，與芯片相關(guān)就變成芯片加工。

國外把較為前沿的納米工程、偏理論的機(jī)械控制、以及生物材料、化學(xué)材料、空氣/流體力學(xué)等方向也歸入了機(jī)械工程，使得學(xué)科構(gòu)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(fēng)格也不同。國內(nèi)強(qiáng)調(diào)“學(xué)得精”，力求深耕本專業(yè)，優(yōu)勢(shì)是術(shù)業(yè)有專攻，利于培養(yǎng)細(xì)分方向的頂尖人才，同時(shí)注重多方向融合；國外偏向全方位發(fā)展，要求學(xué)生“學(xué)得廣”，優(yōu)勢(shì)是能夠鍛煉學(xué)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(shì)在于強(qiáng)大的執(zhí)行力，能夠把一個(gè)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(lǐng)研究潮流。

Q：說到機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與需求，這是一個(gè)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(jī)器人結(jié)構(gòu)來思考其應(yīng)用場景，也可以根據(jù)某一特定需求來設(shè)計(jì)與之相符的結(jié)構(gòu)。您是怎樣看待機(jī)器人的“結(jié)構(gòu)與需求”之間的關(guān)系？

A：機(jī)器人是一個(gè)既年輕又古老的學(xué)科。說它年輕是因?yàn)闄C(jī)器人研究在近二十年發(fā)展非常迅速，高效率、老齡化嚴(yán)重、青壯年勞動(dòng)力不足的時(shí)代背景讓更多人開始關(guān)注機(jī)器人，成為加速行業(yè)發(fā)展的契機(jī)；說古老是因?yàn)樗臍v史悠久，諸葛亮發(fā)明的糧食運(yùn)輸工具木牛流馬算是古代早期機(jī)器人的一種。

通過前人積累的大量研究經(jīng)驗(yàn)，大家對(duì)什么樣的機(jī)器人適合什么工作已經(jīng)達(dá)成一定共識(shí)。當(dāng)你需要處理某個(gè)任務(wù)時(shí)，你對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)、大小等這些有心理預(yù)期的，我們可以利用現(xiàn)有的資源和成品，做出具有針對(duì)性的改進(jìn)，這是現(xiàn)在機(jī)器人研究的核心。

機(jī)器人是一個(gè)極其復(fù)雜的研究領(lǐng)域，需要每個(gè)自然學(xué)科/工程學(xué)科貢獻(xiàn)最核心的知識(shí)點(diǎn)，是各學(xué)科的“集大成者”，它的跨學(xué)科特性也正是其“年輕”的體現(xiàn)。

02研究機(jī)器人對(duì)中學(xué)生來說很難嗎？

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

A：中學(xué)生做科研主要有兩個(gè)關(guān)鍵因素：足夠的知識(shí)積累+合適的老師。

對(duì)于有研究熱情的學(xué)生，我會(huì)毫無保留地傾囊相授，給學(xué)生灌輸相應(yīng)的學(xué)科知識(shí)和學(xué)習(xí)體系，引領(lǐng)他們進(jìn)入機(jī)器人研究領(lǐng)域。我是一個(gè)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(dá)成目標(biāo)在鋪路。所以我希望學(xué)生能有自己的想法、以及為之奮斗和鉆研的熱情，我會(huì)作為聯(lián)結(jié)夢(mèng)想與現(xiàn)實(shí)的“引路人”，帶著TA們一起去實(shí)現(xiàn)。

如果用做菜類比科研，首先你得學(xué)會(huì)洗菜切菜、開火熱油，這是做菜的基礎(chǔ)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(xué)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(gè)機(jī)器人前，你得知道每個(gè)零件如何設(shè)計(jì)、用什么軟件設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)軟件怎么用等知識(shí)。在打好基礎(chǔ)后，學(xué)生可以根據(jù)研究主體進(jìn)行針對(duì)性學(xué)習(xí)，對(duì)一個(gè)目標(biāo)深入度挖掘。
如上圖所示，對(duì)于機(jī)器人研究，我主要把它分為三個(gè)階段。每一步都是研究的重要基石，如果能在每個(gè)階段有所產(chǎn)出，那最后設(shè)計(jì)出來的機(jī)器人就會(huì)比較成功。

要做出一個(gè)好的科研需要大量積累，儲(chǔ)備的知識(shí)越多、能想到的程度就越深、研究也會(huì)更扎實(shí)，而在做實(shí)驗(yàn)的過程中，學(xué)生免不了會(huì)碰到困難。

Q：有哪些讓您記憶深刻的跨學(xué)科研究案例？

我見過最“遠(yuǎn)”的跨學(xué)科案例是心理學(xué)+機(jī)器人。

我在讀博期間認(rèn)識(shí)了幾位研究兒童抑郁癥的心理學(xué)教授，他們想做一個(gè)能夠提供治療手段的機(jī)器人，這是一個(gè)非常新穎的跨學(xué)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(shí)較長，也無法通過別人的面部表情識(shí)別他們的情緒。教授們希望可以通過機(jī)器人反復(fù)展現(xiàn)面部變化特征，以此形成學(xué)習(xí)過程，幫助孩子們辨別各種情感。

還有“自動(dòng)駕駛+機(jī)器人”，利用機(jī)器人視覺讓汽車“看”路；“生物+機(jī)器人”可以結(jié)合近期由工程學(xué)主導(dǎo)的生物學(xué)發(fā)現(xiàn)實(shí)例，選擇單腿或多腿機(jī)器人作為研究對(duì)象，制作仿生腿運(yùn)動(dòng)機(jī)器人，這也是我擅長的領(lǐng)域之一。

O導(dǎo)師在采訪中提到了“生物+機(jī)器人”的研究領(lǐng)域，目前翰林有方的課題庫也有O導(dǎo)師帶教的相關(guān)課題。對(duì)機(jī)器人感興趣的同學(xué)可以掃碼咨詢課題詳情哦！

導(dǎo)師最新課題推薦
1
2

如果你想了解高含金量的科研賽事
或者想根據(jù)自己的興趣匹配一個(gè)相應(yīng)的研究課題
那就快來掃碼咨詢吧！

03做科研的核心是鍛煉解決問題的能力

Q：什么樣的學(xué)生適合跟您做科研？

A：對(duì)機(jī)械、電子、控制、軟件工程感興趣的學(xué)生都可以跟著我做研究，我會(huì)基于他們的想法來設(shè)計(jì)有趣、且具有創(chuàng)新性的課題，最后可以有實(shí)物產(chǎn)出。

現(xiàn)有的機(jī)器人產(chǎn)品不一定能代表學(xué)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(jī)器人。根據(jù)研究方向和具體用途，做出來的機(jī)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(jī)器人、也可以是只需一臺(tái)家用3D打印機(jī)就能做出來的小機(jī)器人。

翰林有方學(xué)術(shù)S老師
機(jī)械正在朝著更加智能、精準(zhǔn)的方向發(fā)展，O導(dǎo)師設(shè)計(jì)的項(xiàng)目都會(huì)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(jiǎng)等，項(xiàng)目方案綜合考慮成本、精度和識(shí)別率等等方面的指標(biāo)，以便于智能機(jī)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(xué)生，您的帶教/授課風(fēng)格是怎么樣的？學(xué)生在學(xué)習(xí)的時(shí)候遇到了困難，您會(huì)怎樣指導(dǎo)他們？

比起直接給出答案，我更喜歡做引導(dǎo)式教育，為他們指出大方向，布置相關(guān)文獻(xiàn)閱讀任務(wù)。經(jīng)過學(xué)生的自主思考后，我們?cè)賮硖接懭绾翁幚韱栴}。

當(dāng)學(xué)生在研究過程中碰到了困難，我們會(huì)進(jìn)行一場會(huì)談，分析研究的進(jìn)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(duì)孩子的成長是很重要的。

翰林有方說

零基礎(chǔ)的同學(xué)也不用擔(dān)心，我們會(huì)根據(jù)每位同學(xué)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)前置課程。翰林有方學(xué)術(shù)老師會(huì)帶學(xué)生進(jìn)行工具學(xué)科的學(xué)習(xí)、相應(yīng)學(xué)科知識(shí)的補(bǔ)充，確保同學(xué)在導(dǎo)師課開始前擁有足夠的知識(shí)儲(chǔ)備。

學(xué)術(shù)老師還會(huì)定期觀看課程錄播、進(jìn)行學(xué)術(shù)評(píng)審，確認(rèn)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和吸收情況，并及時(shí)反饋給家長，避免出現(xiàn)學(xué)不懂、不敢問、跟不上等情況。

Q：做科研可以提升中學(xué)生的哪些能力？

A：做科研是一個(gè)提升學(xué)生綜合素養(yǎng)的過程。做科研需要了解該學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)和研究技能，這可以增加知識(shí)儲(chǔ)備；做科研需要進(jìn)行辯證思考，反復(fù)思考這么做是否可行、這樣設(shè)計(jì)是否合理，培養(yǎng)邏輯思維能力。

做科研會(huì)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(dǎo)下自行鉆研，這都能鍛煉學(xué)生解決問題的能力。不僅如此，學(xué)生的閱讀能力、寫作能力都會(huì)得到訓(xùn)練，對(duì)于做研究的流程也會(huì)更加熟悉。

Q：機(jī)械工程、人工智能是現(xiàn)在比較熱門的申請(qǐng)方向。擁有一段相關(guān)的研究經(jīng)歷會(huì)對(duì)申請(qǐng)大學(xué)帶來哪些幫助？

A：我認(rèn)為主要在兩個(gè)方面：學(xué)術(shù)積累和背景提升。一段科研經(jīng)歷可以給學(xué)生將來的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；而擁有一個(gè)具體的研究成果，包括做出了一個(gè)機(jī)器人實(shí)物、發(fā)表了期刊，甚至在比賽中獲獎(jiǎng)，這些都能成為學(xué)生熱衷于機(jī)器人研究的佐證，在申請(qǐng)材料中樹立一個(gè)豐滿的“人設(shè)”，給大學(xué)招生官留下鮮明的記憶點(diǎn)。

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

以上就是關(guān)于【機(jī)械工程資深導(dǎo)師杜克博士后：關(guān)于機(jī)器人科研的專業(yè)建議！】的解答，如需了解學(xué)校/賽事/課程動(dòng)態(tài)，可至翰林教育官網(wǎng)獲取更多信息。

往期文章閱讀推薦：

菲爾茲獎(jiǎng)名單被泄露，王虹、鄧煜北大校友同登頂？其中一位是競賽生！

本月7場直播 | 如何抓住AMC數(shù)學(xué)競賽備考黃金期？課內(nèi)化學(xué)與化學(xué)競賽的平衡之道是？