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姚燕安:构建几何机器人的大世界

导读: 几套简单的办公桌椅,一台用于报告的外接显示屏,简单的室内陈设给占据了整整一面墙和半间屋子的机器人让位。

  几套简单的办公桌椅,一台用于报告的外接显示屏,简单的室内陈设给占据了整整一面墙和半间屋子的机器人让位。这些机器人形态各异,但仔细观察可以发现,它们均由各种几何图形构建,三角形、四边形、六边形……这就是北京交通大学机电学院教授姚燕安的“机构创新与机器人学设计”实验室。几何机器人的概念由他首创,也是他十余年坚持的研究方向,基于这个方向,姚燕安还构建了一套命名为MSEA的教育理念。

  让几何图形动起来

  今年3月21日,在北京师范大学第二附属中学的工程技术实验室里,中美两位第一夫人观摩了该校“几何机器人”课程,主讲者正是姚燕安。通过听课和观看学生们的演示操作,两位第一夫人都对活泼、有趣的课堂给予了好评。

  “几何机器人这个命名是我自己思考提出的。”姚燕安告诉记者,提到机器人,浮现在人们脑海中的形象多半是变形金刚那样的仿生型机器人。姚燕安向记者介绍,与既有观念迥异的新概念“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。

  “我的对手是美国航空航天局(NASA)。”姚燕安笑道。这并不是一句玩笑话。在几何机器人领域,目前和姚燕安形成竞争的研究开发力量的确是美国航空航天局。由于几何机器人的应用定位是现有机器人难以通过的极端复杂障碍环境——包括民用抢险救援严重破坏路面、军事野外作战动态变化地形,以及星球深度探测未知复杂表面等。“这正是NASA研发非常规概念几何机器人的原因所在。”姚燕安说。

  十余年的积累,姚燕安迄今研制出50余种具有平面与空间多边形特征的“多边形几何移动机器人”演示样机、40余种具有空间多面体特征的“多面体几何移动机器人”演示样机、20余种具有空间收缩展开变形特征的“可缩放几何移动机器人”演示样机,获得发明专利授权40余项,发表80余篇学术论文,承担40余项民用和国防研究课题,其主持的研究成果也获2013年北京市科学技术三等奖。

  播撒“四位一体”教育理念

  除了开展民用和军用研究,姚燕安发现几何机器人因其与数学知识和物理学中运动学和力学知识的紧密联系,以及具有前沿性和趣味性,非常适合青少年科技教育,所以他还投入大量时间和精力推广几何机器人在青少年科技教育方面的应用。

  自己是工学出身,又从事工科教育多年,姚燕安结合自身体悟,提出了MSEA的人才培养理念。M是数学(Mathematics),S是科学(Science),E是工程(Engineering),A是艺术(Art)。在他看来,优秀人才应当具有数学家严谨思维、科学家的创新精神、工程师的实践能力及艺术家的美学修养。“一个都不能少。”

  在这四个领域内,姚燕安有他心目中的代表人物:欧几里德、牛顿、鲁班和塞尚。研究几何机器人的理论和应用要用到数学、科学和工程等知识,强调艺术,姚燕安有自己的思考。

  “我很欣赏塞尚,塞尚被西方人称为现代艺术之父。塞尚提倡通过圆柱体、圆锥体、球体这些几何形体来表现自然,开创了立体主义艺术的学派。我希望在我们冷冰冰的机器人制造里面,也可以融入艺术的思想。”说话间,姚燕安向记者展示了他们研究制造的一款雪花型机器人。他说,在构思这项创造时,他们融入了艺术的审美。一片“行走的雪花”,非常奇妙和浪漫,原来实验室里的机器人也可以从自然界里漂亮的雪花得到灵感和启示。

  姚燕安说,有时科研的确需要和艺术、人文或哲学相碰撞。当科研遇到瓶颈时,他也会进行一些与具体工作无关的阅读和思考。在姚燕安的书桌上,欧几里得著的《几何原本》和牛顿著的《自然哲学的数学原理》虽然已属经典或似乎过时,但于他来说却是常读常新。他还自己购买了《钱学森传》《居里夫人自传》等自己喜欢的传记送给学生。

  据了解,经过多年的积累,在科技教育装备技术层面,姚燕安带领团队已开发出100余种已经批量生产的具有原创理念和我国完全自主产权的机器人产品,与青少年的知识结构无缝衔接,为科教领域提供了将数学与科技巧妙联系的绝佳载体,显著增加了机器人教育装备的创新性与趣味性。

  在科技教育实践技术层面,姚燕安陆续在30多所中小学和校外教育机构开设“几何机器人创新设计”的必修和选修课程。他的几何机器人连年参加全国科技周、科博会、科普进校园、科技馆日常展览,普及受众数达十万余人次。让中国青少年从小树立科学研究的兴趣和理想,早日在中国培养出科学大师,是姚燕安的梦想。

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