介绍：

• KANG HOOI SIANG（江泓杉），马来西亚理工大学研究员、博导，任海事技术中心（MTC）主任。博士毕业于美国Texas A&M大学海洋工程系。他是英国皇家造船师学会（RINA）准会员和新加坡浮动平台学会（SFSS）会员，表了超过120篇国际期刊和会议论文。他是SCI一区期刊《Journal of Marine Engineering & Technology》编委会成员，并兼任多个国际会议的分论坛主席，如亚洲海洋技术会议（OTC Asia 2024）和美国机械工程师协会（ASME）国际海洋、离岸与北极工程会议（OMAE）。近五年来参与超过30个国际海洋工程科研项目以及超过10个产学研用项目。他在海洋脱碳方面的科研成果曾荣获2021年马来西亚技术博览会金奖以及马来西亚-克罗地亚技术交流国际荣誉奖。2019年和2023年，他在欧盟地平线玛丽·居里研究与创新人员交流计划（RISE）下被授予访问学者身份，前往里斯本大学交流。他的研究兴趣包括海洋结构可靠性与安全、海洋脱碳、海洋环境可持续发展，以及流体结构相互作用。

报告内容：

• 欧盟碳税政策迫使海运业、船东和运营商为超标的碳排放支付额外费用，进一步增加了运营成本。因此，海运业迫切需要有效的脱碳策略，以减轻碳税负担并提升竞争力。本研究基于船舶自动识别系统（AIS）数据，构建了船舶排放清单。研究发现，密集的航线和有限的海域空间对海运交通构成了阻碍，碳排放和氮氧化物（NOx）成为主要的海洋污染物。数字孪生技术通过虚拟系统整合物理数据，实现船舶运营的实时监控和优化。结合物联网和高性能计算，数字孪生技术能够提供精准的排放监测，优化航行路径及关键部件，从而有效减少碳排放，帮助企业应对严格的碳税政策，推动海运业的智能化与可持续发展。

编者按

• 2024年8月17日，中国工程院工程科技学术研讨会暨第九届紫金论电学术研讨会在南京盛大开幕。本次会议的主题是“以新型电力系统为关键支撑的新型能源体系”。在主论坛上，中国南方电网有限责任公司李立浧院士作了题为“新型电网和新型电力系统的技术思考”的主旨报告。

图文导读

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研究背景

• 中国科学院院士、华中科技大学机械科学与工程学院院长丁汉院士分享《共融机器人的基础理论和关键技术》主题演讲，表示共融是未来机器人发展的必然趋势。共融机器人（Coexisting-Cooperative-Cognitive Robots, Tri-Co Robots）是指能与作业环境、人和其它机器人自然交互、自主适应复杂动态环境并协同作业的机器人。“共融机器人基础理论与关键技术研究”重大研究计划面向智能制造、医疗康复、国防安全等领域对共融机器人的需求，开展共融机器人结构、感知与控制的基础理论与关键技术研究，为我国机器人技术和产业提供源头创新思路与科学支撑。本重大研究计划自2014年10月启动论证，先后有国内外近百名学者参与，举行讨论、论证、汇报、咨询会 20余次，于2016年7月获得批准，由国家自然科学基金委员会工程与材料科学部牵头，联合信息科学部、数理科学部和医学科学部共同负责实施。 本重大研究计划瞄准国际机器人研究前沿，围绕人-机-环境共融的机器人基础理论和设计方法，通过机械、信息、力学和医学等多学科交叉，旨在刚-柔-软耦合柔顺结构设计与动力学、多模态环境感知与人体互适应协作、群体智能与分布式机器人操作系统等方面取得创新性研究成果，培育一批具有国际影响力的中青年学术骨干和带头人，提升我国机器人研究的整体创新能力和国际影响力。 拟重点研究的关键科学问题： 1）刚-柔-软体机器人的运动特性与可控性，包括：刚-柔-软体机器人构型设计及力学行为解析，机器人-人-环境交互动力学与刚度调控机制； 2）人-机-环境多模态感知与自然交互，包括：非结构环境中的多模态感知与情景理解，基于生物信号的行为意图理解与人机自然交互； 3）机器人群体智能与操作系统架构，包括：机器人个体自主与机器人群体智能涌现机理，群体机器人操作系统的多态分布架构。 本重大研究计划的组织实施将充分体现“依靠专家、科学管理、环境宽松、有利创新”的宗旨，体现基础研究的特点，兼顾国家重大需求。本重大研究计划执行期为八年（2017年1月～2024年12月），拟投入直接经费2.0亿元。通过八年的连续支持，期望在共融机器人领域显著提升我国的整体研究水平，实现跨越式发展，达到国际领先。（数据更新至2017年12月12日）

图文导读

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研究背景

• 运动介质的电动力学一直以来备受研究者们关注。对于沿直线匀速运动的一般介质，使用标准微分形式麦克斯韦方程组(MEs)和近似闵可夫斯基本构方程来描述其电磁行为就足够了。通过使用洛伦兹变换保持MEs的协方差，可以从非运动观测者的参照系(S)中得到运动坐标系(S’)中观测到的电磁场。这是经典电动力学中公认的标准狭义相对论。由于洛伦兹变换中的一个重要参数是光速，通常是指光在真空中的速度，因此，狭义相对论是两个独立的观测者在两个惯性参照系中观测到的相同的电磁现象，这两个参照系以恒定的速度相对运动，而整个空间要么是真空，要么充满一种无边界的各向同性介质。
• 为了计算运动介质的电磁场，材料的本构关系是必须的。这些本构关系可以作为求解麦克斯韦方程组的补充条件。闵可夫斯基的观点是建立在一个假设的基础上的，即介质的性质和在其他惯性系中相应的本构方程保持不变。这有两个要求：沿直线匀速运动或在惯性参照系中运动，并预先确定相应的本构方程。然而，如果介质以加速度沿着复杂的轨迹运动(图1b)，并且对于形状可变形的材料或液体，速度可能是时间和位置的函数，那么在这种情况下，从数学上不可能描述运动介质的电磁场。更重要的是，实际介质/材料可能是各向异性的，其介电常数强烈依赖于频率甚至晶体取向，因此，应考虑介质色散关系。而这种情况在实际材料的工程应用中经常发生。

文章概述

• 在经典电动力学中，运动总是指两个观察者在惯性参考系中的相对运动，因此在洛伦兹变换下，麦克斯韦方程的协方差可以在两个空间中分别保持。因此，电磁系统的能量是守恒的。而且由于真空中光速不变，描述真空空间中带电粒子电磁行为的理论可以用狭义相对论很好地描述。然而，在工程应用中，介质具有形状和大小，也可能在加速运动，并且一个系统可能具有多个运动物体，这些物体在外部机械触发下可能相关或独立。因此本文提出了描述此类电磁-机械系统中电磁现象的理论。我们主要介绍低速近似（v << c）下的动生麦克斯韦方程（MEs-f-MDMS）。
• 我们得出结论如下：
• MEs-f-MDMS 是描述运动物体内部电动力学所必需的，该物体不仅以加速平移运动，而且具有旋转运动。经典麦克斯韦方程组描述的是介质无本身运动的电动力学，这两个区域的全解均满足边界条件，因此物体的旋转将影响其附近的电磁场。这里也给出了求解MEs-f-MDMS的理论方法。
• 本文由王中林院士亲自执笔，从伽利略空间与时间、伽利略电磁学、方程边界条件、与狭义相对论的关系、潜在应用等13小节进行了详细阐述。相关文章以“The Maxwell’s equations for a mechano-driven media system (MEs-f-MDMS)”为题发表在顶级期刊《Advances in Physics: X》上，将是理解这一理论进展的绝佳参考。

原文链接：

https://doi.org/10.1080/23746149.2024.2354767

图文导读

潜在应用

• 在此之前，MEs可以有效地计算固定介质的电磁行为，这涵盖了物理和工程应用中的大多数场景。加速运动物体产生的电磁辐射可以通过使用MEs-f-MDMS来计算，例如分布在发电机或风车周围的电磁辐射。在这种情况下，介质的旋转很可能在近场场中引入额外的分量。物体的运动就像一个产生电磁波的源，而电磁波在空间中的传播仍受经典麦克斯韦方程组的支配。
• 传统上，电磁波通常是由振荡电流通过开放的天线产生的。MEs-f-MDMS的一个重要应用是利用介质的相对旋转产生低频电磁波，如旋转模式TENG，使辐射波在水等介质中到达较远的距离。在这种情况下，人们可以通过一个比传统天线尺寸小得多的受限装置来产生低频信号。这可以用于水下通信。
• 在今天的技术中，物体的移动速度可以是声速的数倍。在这种情况下，物体的运动可以严重影响电磁波的相位。对于一架飞行速度为3km/s的喷气式飞机，在位于100 km的距离点上，电磁波到达飞机表面需要0.3 ms。考虑到信号处理记录所需的时间，经过的时间约为1-5毫秒，在此期间飞机将飞行3-15米的距离，这可能比喷气机的长度还要长。在这种情况下，如果在理论建模中不考虑射流的运动，传统雷达捕捉飞行射流位置的计算结果与实际情况相差甚远。如果将相位信息用于雷达探测，那么如果通信在GHz数量级，这样的距离将产生巨大的相移。我们期望MEs-f-MDMS在工程上有更多的应用。

原文链接：

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• 大学计算机科学与技术系孙富春教授分享《触觉感知的问题与出路？》主题报告，指出随着触觉传感器的发展及性能的提升，触觉感知领域迎来了前所未有的进展。触觉是用于获取环境信息的一种重要知觉形式，是人类与外界交流的重要通道。如何能让机器人拥有人类一样的触觉感知能力一直是学术界和工业界探讨的热点问题，而触觉传感器作为机器人获取触觉感知的装置也被中国日报评为了35项卡脖子技术之一。本报告将围绕触觉感知“脖子”卡在哪里的问题展开讨论。首先以“机器人如何获得像人一样感知能力”为题，分别从“密度、模态、区域、量程”以及“动态性、稳定性”的角度分析了现有触觉传感器的主要不足、技术瓶颈和可能的解决途径。其次以“触觉传感器如何提高机器人的认知能力和精准操作能力”为题，讨论了触觉表征、视触觉联合表征与融合实现操作目标物体特性、形态识别，以及操作技能的学习问题。接着，介绍了研究团队在触觉传感器以及机械手灵巧操作方面最新研究成果。最后，对机器人触觉感知研究进行了总结和展望。

转载链接：

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视频回放

• 点击链接观看：http://www.binn.cas.cn/xwzx/xsjl/202404/t20240412_6967017.html

序号	期刊名	ISSN	类别
1	Journal of Ocean Engineering and Science	2468-0133	ENGINEERING, OCEAN - SCIE; ENGINEERING, MARINE - SCIE
2	COASTAL ENGINEERING	0378-3839	ENGINEERING, OCEAN - SCIE
3	OCEAN ENGINEERING	0029-8018	ENGINEERING, OCEAN - SCIE; ENGINEERING, MARINE - SCIE
4	IEEE JOURNAL OF OCEANIC ENGINEERING	0364-9059	ENGINEERING, OCEAN - SCIE
5	MARINE STRUCTURES	0951-8339	ENGINEERING, MARINE - SCIE
6	COASTAL ENGINEERING JOURNAL	2166-4250	ENGINEERING, OCEAN - SCIE
7	Journal of Marine Engineering and Technology	2046-4177	ENGINEERING, MARINE - SCIE
8	APPLIED OCEAN RESEARCH	0141-1187	ENGINEERING, OCEAN - SCIE
9	MARINE GEORESOURCES & GEOTECHNOLOGY	1064-119X	ENGINEERING, OCEAN - SCIE
10	International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering	2092-6782	ENGINEERING, MARINE - SCIE
11	Journal of Marine Science and Engineering	2077-1312	ENGINEERING, OCEAN - SCIE; ENGINEERING, MARINE - SCIE
12	PROCEEDINGS OF THE INSTITUTION OF CIVIL ENGINEERS-MARITIME ENGINEERING	1741-7597	ENGINEERING, OCEAN - SCIE
13	JOURNAL OF WATERWAY PORT COASTAL AND OCEAN ENGINEERING	0733-950X	ENGINEERING, OCEAN - SCIE
14	JOURNAL OF ATMOSPHERIC AND OCEANIC TECHNOLOGY	0739-0572	ENGINEERING, OCEAN - SCIE
15	JOURNAL OF NAVIGATION	0373-4633	ENGINEERING, MARINE - SCIE
16	Ships and Offshore Structures	1744-5302	ENGINEERING, MARINE - SCIE
17	JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY	0948-4280	ENGINEERING, MARINE - SCIE
18	Brodogradnja	0007-215X	ENGINEERING, MARINE - SCIE
19	Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part M-Journal of Engineering for the Maritime Environment	1475-0902	ENGINEERING, MARINE - SCIE
20	JOURNAL OF OFFSHORE MECHANICS AND ARCTIC ENGINEERING-TRANSACTIONS OF THE ASME	0892-7219	ENGINEERING, OCEAN - SCIE
21	JOURNAL OF SHIP RESEARCH	0022-4502	ENGINEERING, MARINE - SCIE
22	CHINA OCEAN ENGINEERING	0890-5487	ENGINEERING, OCEAN - SCIE
23	Journal of Ship Production and Design	2158-2866	ENGINEERING, MARINE - SCIE
24	Polish Maritime Research	1233-2585	ENGINEERING, MARINE - SCIE
25	MARINE TECHNOLOGY SOCIETY JOURNAL	0025-3324	ENGINEERING, OCEAN - SCIE
26	INTERNATIONAL JOURNAL OF OFFSHORE AND POLAR ENGINEERING	1053-5381	ENGINEERING, OCEAN - SCIE
27	International Journal of Maritime Engineering	1479-8751	ENGINEERING, MARINE - SCIE
28	NAVAL ENGINEERS JOURNAL	0028-1425	ENGINEERING, MARINE - SCIE
29	SEA TECHNOLOGY	0093-3651	ENGINEERING, OCEAN - SCIE
30	Scientific Journals of the Maritime University of Szczecin-Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Szczecinie	1733-8670	ENGINEERING, MARINE - ESCI
31	Nase More	0469-6255	ENGINEERING, MARINE - ESCI
32	Journal of Naval Architecture and Marine Engineering	1813-8535	ENGINEERING, MARINE - ESCI
33	Ocean Systems Engineering-An International Journal	2093-6702	ENGINEERING, OCEAN - ESCI
34	UNDERWATER TECHNOLOGY	1756-0543	ENGINEERING, OCEAN - ESCI
35	Journal of Marine Science and Application	1671-9433	ENGINEERING, MARINE - ESCI
36	Transactions on Maritime Science-ToMS	1848-3305	ENGINEERING, MARINE - ESCI
37	Ship Technology Research	0937-7255	ENGINEERING, MARINE - ESCI
38	International Shipbuilding Progress	0020-868X	ENGINEERING, MARINE - ESCI
39	Marine Intellectual Technologies	2073-7173	ENGINEERING, MARINE - ESCI
40	Journal of Eta Maritime Science	2147-2955	ENGINEERING, MARINE - ESCI

• 清华大学深圳国际研究生院曲钧天团队和浙江大学李铁风团队合作在水下软体机器人领域发表综述论文，这项工作系统梳理了不同类型的基于仿生学的水下软体机器人，总结归纳了水下软机器人在智能软材料及其制造技术、驱动、运动模式、能量存储、传感、控制和建模方法等方面的最新进展。最后，文章探讨了该领域现有挑战和发展前景。本综述旨在为未来水下软体机器人技术的发展和实际应用提供重要指导。

图1 水下软体机器人技术

• 水下机器人的开发对于海洋复杂环境下的资源勘探和开发等特定任务具有重要价值。传统刚性水下机器人（AUVs和ROVs）具有坚硬的刚性外壳，尺寸较大，因此，环境适应性差，与海洋生物接触时容易对其造成伤害，在狭窄的水下空间难以操作。此外，传统刚性机器人多采用的水下喷射推进的驱动方式会对水下环境造成巨大的干扰。然而，软体机器人是由兼容材料（聚合物、弹性体、水凝胶、颗粒）制造的机器，具有优越的变形能力、环境适应性，且驱动控制较为简单，适合应用于海洋环境。值得注意地，根据应用场景，软体机器人可分为水下软体机器人、陆地软体机器人和空中软体机器人。只要能在水中工作，就属于水下软体机器人，因此，水陆两栖软机器人也被视为水下软机器人。水下软体机器人可以解决传统刚性水下机器人的性能缺陷，具有较大的研究前景。

• 水下软体机器人的开发综合了材料学、控制科学与工程、计算机科学与技术、流体力学和机械工程等学科的基础知识，旨在探索机器人领域的最新技术。近年来，随着世界各国越来越鼓励多学科交叉研究，许多用于不同的目的水下软体机器人被研究和开发出来。通过与仿生技术相结合，机器人可以很好地利用生物的顺应性，在复杂的海洋环境中安全、高效、准确地完成任务。

• 作者在文章中首先比较了各种水下刚性机器人与水下软体机器人的速度和尺寸（图2），显然，水下软体机器人比传统的水下刚性机器人具有更宽的速度范围和尺寸跨度。

图2 各种水下刚性机器人（黑色）与水下软体机器人（蓝色）的速度和尺寸

• 该文章以时间线的形式汇总了自2000年至2023年期间部分具有代表性的受生物启发的水下软体机器人研究成果，并以时间轴图的形式展示了水下软体机器人从实现简单功能到具备综合能力的逐渐进步（图3）。水下软体机器人已经从最初单一的软执行器功能扩展到具有水下巡航、操作、环境感知、多运动模式自由切换等一系列复杂的功能。软体机器人技术与软材料技术实现更好地结合，利用软材料实现了性能更优越、设计制造更简单的结构。

图3 具有代表性的仿生水下软体机器人（v的单位为m/s，COT的单位为J/Nm。当任何质量、速度或能量都是未知的时，就无法计算出COT。图中还展示了每个机器人能够实现的运动模式。）

• 近十年来，水下软体机器人得到了发展，并面临着不同的挑战，本文将首先按时间顺序回顾部分重要成果。2012年至2017年，水下软机器人技术得到了快速发展，相关技术成果层出不穷（图4），并发明了一系列软材料、驱动器、传感器和制造技术。

图4 2012-2017年在软材料、驱动器、传感器和制造技术方面的代表性水下软体机器人

• 直到2017年，软材料、驱动器、传感器和控制算法的技术基础已经发展到一个更高的阶段。因此，研究人员不再局限于开发仅仅模仿自然界中生物的单一运动的软体机器人，而是试图开发能够实现不同运动模式的机器人系统。此外，他们还试图开发出适合深海等场景的能够自主运动的软体机器人。同时，与机器视觉、机器学习、CFD和FEM等多学科知识相结合，完成了机器人系统的建模和设计，并且实现了更长时间的自主运行（图5）。

图5 2017-2022年在多运动模态、长续航自动力系统及其他先进技术方面的代表性水下软体机器人

• 文章作者全面的调研了目前国内外学者在水下软体机器人技术领域的研究进展，回顾以往的研究，作者提出了以下4点仍需克服的挑战：

1. 材料：研发新型活性软材料，具有不同力学性能，使水下软体机器人在不同方向和水下压力下具有突破性的性能，如耐压、耐寒和非线性运动。
2. 结构：开发智能变刚度材料，与刚性结构相结合，实现水下刚柔耦合机器人，提高机器人的负载能力和刚度，克服低负载、刚性差和强度低的问题。
3. 控制：研究仿生智能控制算法，用有限维模型描述无限维分布式参数模型，建立基于优化方法的等效控制模型，实现精确的实时控制，包括形态和位置的控制。
4. 驱动、感知和控制一体化：利用嵌入式柔性传感器、柔性电子技术和3D打印技术，实现软体机器人的驱动感知控制一体化，提高机器人的智能控制和感知能力，但仍面临挑战。

• 此外，作者提出了以下9个比较具有前景的未来研究方向：

1. 智能软材料的研究尚需提升，水下软体机器人应用有待进一步探索。
2. 设计水陆两栖软体机器人，提高适应性和适用性。
3. 优化机器人外形和驱动器设计，减少水下流体阻力。
4. 发展深海资源勘探和开发技术，克服深海环境问题。
5. 开发高效的控制算法，降低能量损耗，提高运动效率。
6. 模仿集群行为，实现自组织群体协作。
7. 优化机器人运动能力，适应水下复杂动态环境。
8. 简化中微子通信技术，推广应用。
9. 集成传感器，提供传感反馈，实现闭环控制。

• 论文信息：

• Juntian Qu*, Yining Xu, Zhenkun Li, Zhenping Yu, Baijin Mao, Yunfei Wang, Ziqiang Wang, Qigao Fan, Xiang Qian, Min Zhang, Minyi Xu, Bin Liang, Houde Liu1, Xueqian Wang, Xiaohao Wang, Tiefeng Li*,Recent Advances on Underwater Soft Robots, Advanced Intelligent Systems

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