• 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。

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• 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

转载链接：

• https://mp.weixin.qq.com/s/HsJ0npVzrtYDQzHBCiWqLg

介绍：

• 程寰宇是美国宾州州立大学 James L. Henderson, Jr. Memorial 副教授。他的研究小组专注于独立可拉伸设备平台的设计、制造和应用。发表 主要论文百余篇，被引万余次。他的工作获得了众多奖项的认可，包括 2022 Humboldt Research Fellowship for Experienced Researchers 、 2022 Minerals, Metals & Materials Society (TMS) Functional Materials Division (FMD) Young Leaders Professional Development Award、2021 NIH Trailblazer Award、MIT Technology Review Innovators Under 35 (TR35 China) in 2021、2021 Scialog Fellow in Advancing BioImaging、2021 Frontiers of Materials Award from TMS、Forbes 30 Under 30 in 2017 等。他还担任 Computers in Biology and Medicine 和 IEEE Internet of Things Journal 等七个期刊的副主编和超过 250 个期刊的审稿人。

报告摘要：

• 现今的传统电子产品形成在脆性晶圆基板的平面上，并且与生物组织皮肤等3D可变形表面不兼容。因此，现有研究关注在开发用于持续健康监测的可拉伸电子设备。下一代可拉伸电子产品的实际应用取决于可拉伸持续电源与高度敏感的皮肤传感器和无线传输模块的集成。本报告旨在简要介绍未来的可拉伸一体化传感平台背后的挑战、设计策略和新颖的制造工艺，该平台既可与3D动态变化的表面集成，也可在其有效使用后完全溶解。由此产生的可拉伸一体化传感平台在基础 生物医学研究、疾病诊断确认、健康老龄化、人机界面和智能物联网中开拓了新的应用机会。

• 非匀速运动物体系统的动生麦克斯韦方程组理论

• 王中林 中国科学院北京纳米能源与系统研究所、中国科学院大学纳米科学与工程学院

• 在经典电动力学中，无论相对运动的是观察者或是有几何形状的介质，一般教材中默认它们进行匀速直线运动(即惯性参考系)；所以，狭义相对论（洛伦兹变换）可以方便地描述真空中带电粒子的电磁场变化规律。在工程应用中，介质（物体）一般有不同的形状和大小，更多情况下其进行的是加速运动。对于低速运动介质且在忽略相对论效应的情况下，我们系统地构建了研究加速运动介质电磁现象的动生麦克斯韦方程组(Maxwell's equations for a mechano-driven media system)。我们发现：费曼物理讲义中列举的“反通量法则”的例子正是由于不可忽略几何形状的物体的运动引起，而描述介质加速运动的修正项没有被包含在经典的麦克斯韦方程组中。这是拓展麦克斯韦方程组的一个典型例证。我们构建了非匀速运动介质（物体）系统中的动生麦克斯韦方程组，拟解决在非惯性系中低速变速运动介质以及介质形状和边界随时间/空间变化时电磁场的动力学演化规律。本文概括总结了动生麦克斯韦方程组理论的核心内容，包括方程组的构建背景、物理图像、基本特点、与经典方程组之间的区别和联系、求解方法、潜在应用范围等。深入探讨了动生麦克斯韦方程组和经典麦克斯韦方程组之间的四个主要区别。动生麦克斯韦方程组是对于经典麦克斯韦方程组的一个拓展，有它具体的工程应用领域，且和经典的场论等自洽。最后, 对动生麦克斯韦方程组在科学和技术方面的潜在影响进行了分析和展望。

视频讲座：

• 王中林（视频）：非匀速运动物体系统的动生麦克斯韦方程组理论 https://www.bilibili.com/video/BV1nC4y1n7ER/

• Zhong Lin Wang (video): The Maxwell Equations for a Mechano-Driven Media System Moving with Acceleration：http://www.binn.cas.cn/xwzx/xsjl/202311/t20231101_6914184.html

参考文献：

1. Z.L. Wang “ On the expanded Maxwell’s equations for moving charged media system – general theory, mathematical solutions and applications in TENG”， Materials Today, 52 (2022) 348-363； https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.10.027

2. Z.L. Wang* “ Maxwell’s equations for a mechano-driven, shape-deformable, charged media system, slowly moving at an arbitrary velocity field 𝒗(𝒓,𝑡)”， J. Phys, Communication, 6 (2022) 085013, https://doi.org/10.1088/2399-6528/ac871e

3. Z.L. Wang* “ The expanded Maxwell’s equations for a mechano-driven media system that moves with acceleration”, Intern. J. of Modern Physics (2022) 2350159; https://doi.org/10.1142/S021797922350159X

4. Z.L. Wang*, J. Shao “Recent progress on Maxwell’s equations for a mechano-driven medium system for multi-moving-objects/media”, Electromagnetic Science, 2 (2023) 0020171, https://doi.org/10.23919/emsci.2023.0017

5. 王中林†，邵佳佳 “非匀速运动介质系统中的动生麦克斯韦方程组 - 低速与非相对论近似”《中国科学-技术科学》52 (2022) 1198 - 1211; https://doi.org/10.1360/SST-2022-0176

6. 王中林，邵佳佳 “面向工程电磁学的动生麦克斯韦方程组及其求解方法“, 《中国科学-技术科学》；52 （2022）1416-1433；https://doi.org/10.1360/SST-2022-0226

7. 王中林*, 邵佳佳“从加速运动介质中的法拉第电磁感应定律到拓展的麦克斯韦方程组“，《中国科学-技术科学》53（2023）430-444; https://doi.org/10.1360/SST-2022-0322

8. 王中林*, 邵佳佳“非匀速运动物体系统的动生麦克斯韦方程组理论”, 《中国科学-技术科学》（综述）53 (2023) 803-819； https://doi.org/10.1360/SST-2023-0062

• 非匀速运动物体系统的动生麦克斯韦方程组理论

• 王中林 中国科学院北京纳米能源与系统研究所、中国科学院大学纳米科学与工程学院

• 在经典电动力学中，无论相对运动的是观察者或是有几何形状的介质，一般教材中默认它们进行匀速直线运动(即惯性参考系)；所以，狭义相对论（洛伦兹变换）可以方便地描述真空中带电粒子的电磁场变化规律。在工程应用中，介质（物体）一般有不同的形状和大小，更多情况下其进行的是加速运动。对于低速运动介质且在忽略相对论效应的情况下，我们系统地构建了研究加速运动介质电磁现象的动生麦克斯韦方程组(Maxwell's equations for a mechano-driven media system)。我们发现：费曼物理讲义中列举的“反通量法则”的例子正是由于不可忽略几何形状的物体的运动引起，而描述介质加速运动的修正项没有被包含在经典的麦克斯韦方程组中。这是拓展麦克斯韦方程组的一个典型例证。我们构建了非匀速运动介质（物体）系统中的动生麦克斯韦方程组，拟解决在非惯性系中低速变速运动介质以及介质形状和边界随时间/空间变化时电磁场的动力学演化规律。本文概括总结了动生麦克斯韦方程组理论的核心内容，包括方程组的构建背景、物理图像、基本特点、与经典方程组之间的区别和联系、求解方法、潜在应用范围等。深入探讨了动生麦克斯韦方程组和经典麦克斯韦方程组之间的四个主要区别。动生麦克斯韦方程组是对于经典麦克斯韦方程组的一个拓展，有它具体的工程应用领域，且和经典的场论等自洽。最后, 对动生麦克斯韦方程组在科学和技术方面的潜在影响进行了分析和展望。

视频讲座：

• https://mp.weixin.qq.com/s/dWdmcwULVpjJfCG9m_NE4w

参考文献：

1. Z.L. Wang “ On the expanded Maxwell’s equations for moving charged media system – general theory, mathematical solutions and applications in TENG”， Materials Today, 52 (2022) 348-363； https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.10.027

2. Z.L. Wang* “ Maxwell’s equations for a mechano-driven, shape-deformable, charged media system, slowly moving at an arbitrary velocity field 𝒗(𝒓,𝑡)”， J. Phys, Communication, 6 (2022) 085013, https://doi.org/10.1088/2399-6528/ac871e

3. Z.L. Wang* “ The expanded Maxwell’s equations for a mechano-driven media system that moves with acceleration”, Intern. J. of Modern Physics (2022) 2350159; https://doi.org/10.1142/S021797922350159X

4. Z.L. Wang*, J. Shao “Recent progress on Maxwell’s equations for a mechano-driven medium system for multi-moving-objects/media”, Electromagnetic Science, 2 (2023) 0020171, https://doi.org/10.23919/emsci.2023.0017

5. 王中林†，邵佳佳 “非匀速运动介质系统中的动生麦克斯韦方程组 - 低速与非相对论近似”《中国科学-技术科学》52 (2022) 1198 - 1211; https://doi.org/10.1360/SST-2022-0176

6. 王中林，邵佳佳 “面向工程电磁学的动生麦克斯韦方程组及其求解方法“, 《中国科学-技术科学》；52 （2022）1416-1433；https://doi.org/10.1360/SST-2022-0226

7. 王中林*, 邵佳佳“从加速运动介质中的法拉第电磁感应定律到拓展的麦克斯韦方程组“，《中国科学-技术科学》53（2023）430-444; https://doi.org/10.1360/SST-2022-0322

8. 王中林*, 邵佳佳“非匀速运动物体系统的动生麦克斯韦方程组理论”, 《中国科学-技术科学》（综述）53 (2023) 803-819； https://doi.org/10.1360/SST-2023-0062

介绍：

• Professor Tongming Zhou has been in the area of fluid dynamics for more than 20 years. He obtained his PhD in 1999 in the area of Fluid Mechanics from The University of Newcastle (Australia). After completing his PhD, he worked as a post-doctoral fellow for about 2 years and then joined Nanyang Technological University, Singapore, as an assistant/associate professor. Since July 2007, he has been working in Department of Civil, Environmental and Mining Engineering, The University of Western Australia. His main research interests include (1) suppression of vortex shedding and VIV using various passive methods to reduce hazards; (2) enhancement of vortex-induced vibrations (VIV) and galloping of bluff structures to increase fluid energy harnessing efficiency; (3) resonance of waves in the gap between a floating LNG facility and a LNG carrier; (4) liquid sloshing in a partially-filled tank by conducting experiments on the hexapod.

报告摘要：

• Marine growth (MG) forms due to the accumulation of micro-organisms, plants, algae, or animals on wetted surfaces and occurs almost everywhere in the ocean. It affects the functionality and the integrity of marine structures by increasing the diameters, changing the surface conditions and influencing the hydrodynamic characteristics. Generally, MG can be classified into two categories, namely hard marine growth (HMG) and soft marine growth (SMG). The HMG represents that the rough surface is rigid, whereas the SMG can be easily deformed by external forces and has high permeability. For offshore cylindrical structures, such as oil pipelines, risers, power cables and mooring lines of renewable energy facilities, the hydrodynamics and responses of vortex-induced vibrations (VIV) may be altered due to the existence of the MG. Thus, the influence of MG on hydrodynamic properties needs to be investigated and quantified thoroughly. In the present study, 3D printed semi-spheres of various heights and coverage ratios and ribbons of different lengths and gap ratios are used to simulate HMG and SMG, respectively. Their effects on hydrodynamic forces, amplitudes of VIV and wake vortex structures are investigated systematically.