9月底，西湖大學特聘研究員、博士生導(dǎo)師趙世鈺課題組完成的中國多旋翼無人機研究成果登上Nature雜志。
他們做出了一套名為FlyingToolbox的空中作業(yè)機器人系統(tǒng)，由兩架“疊飛”的無人機組成——一架像主刀醫(yī)生、另一架則像遞工具的護士，在6級強風下仍穩(wěn)如泰山，完成高精度的協(xié)同作業(yè)。
《中國科學報》近日了解到，這個亮眼的成果背后，還有一個“置之死地而后生”的故事。
故事要從5年前說起。2020年，趙世鈺和新進組的博士后曹華姿一起，嘗試讓無人機在空中完成3D打印。然而2022年9月，他們發(fā)現(xiàn)英國帝國理工學院的類似研究在Nature發(fā)表。
這對師生只好重換課題，從頭再來。新研究一做又是兩年半。趙世鈺告訴《中國科學報》，在機器人這樣快速更迭的領(lǐng)域，投入兩年半其實風險很高，是一場“豪賭”。
上天不負有心人，這對師生的堅持有了回報。
團隊合影，居中為趙世鈺，右二為曹華姿飛吧，機器人！
當城市蘇醒，高空清潔師傅開始工作，作業(yè)高度令人心驚膽戰(zhàn)，細長的安全繩在風中搖擺。
這樣的場景在都市中每天都在上演。而趙世鈺團隊的FlyingToolbox有望在電力、農(nóng)業(yè)、建筑等領(lǐng)域代替人力，從事高風險的工作。
“空中機器人和地面機器人是一對孿生兄弟?！壁w世鈺向《中國科學報》展示了一張對比圖。地面機器人用雙腿行走，用雙臂完成任務(wù)；空中機器人則用無人機機體飛行，用機械臂完成任務(wù)。
空中機器人vs地面機器人（該地面機器人為宇樹科技產(chǎn)品）然而，在實際應(yīng)用中，單獨一個空中機器人往往是不夠的。FlyingToolbox的最大意義在于，實現(xiàn)了兩架無人機的近距離親密協(xié)作。
它由兩架“疊飛”的無人機組成。下方是一架“工具箱無人機”，承載了多種豐富的工具；上面是一架“操作無人機”，用靈活的機械臂拿起、放下工具，完成操作任務(wù)。
FlyingToolbox動圖醫(yī)生接過護士遞來的手術(shù)刀這一動作，對人類很容易，對空中的飛機來說卻并不容易。其核心難點是，如何實現(xiàn)“強干擾下的高精度”。
趙世鈺介紹，兩架飛機“疊羅漢”時，最近距離僅有0.6米，會產(chǎn)生13.18米/秒的擾動氣流，相當于人在6級強風中行走。在這么強的擾動下，精度需達到水平誤差小于1.5厘米、傾斜角度小于2度。
為了解決這一科學問題，研究團隊設(shè)計了三個“黑科技”：柔性電磁對接機構(gòu)、氣流擾動估計與補償方法、高精度對接與操作控制技術(shù)。
歷經(jīng)無數(shù)次實驗后，F(xiàn)lyingToolbox能做到一口氣抓取、放下工具20次。
趙世鈺團隊研發(fā)的這套FlyingToolbox空中協(xié)同操作系統(tǒng)，成功解決了近距離飛行與高精度操作之間的技術(shù)矛盾，使無人機技術(shù)發(fā)展的一個世界級卡點得到突破。這也是中國在多旋翼無人機領(lǐng)域的研究成果首次登上Nature。
Nature論文置之死地而后生
“沒有回頭路，一定要將FlyingToolbox做成功！”對這次研究，曹華姿下定決心。
2020年，曹華姿加入趙世鈺實驗室，第一個項目是做無人機的空中3D打印。這一課題很新穎，如果能做出來，可能“領(lǐng)跑”世界。
不巧，這一想法與帝國理工學院的團隊“撞車”，后者以更快的速度發(fā)表了。趙世鈺和曹華姿只能忍痛舍棄手上已經(jīng)做了大半的研究。
2023年春節(jié)，一個新想法“闖”入趙世鈺的腦海。這次的想法更具顛覆性，一旦開始，就要投入巨大的人力、物力。
要不要再試一把？
最終，科學的理想超越了一切，帶著他們前行。
“別眨眼，看看炸機多少次？”9月28日，西湖大學在B站上發(fā)布了趙世鈺團隊的《炸機實錄》視頻。而視頻中所展示的，只是他們經(jīng)歷的無數(shù)次炸機的冰山一角。好在，他們堅持了下來。
論文發(fā)表后，有許多投資人聯(lián)系到趙世鈺。目前他們已經(jīng)融到了第一筆資金，準備將研究成果轉(zhuǎn)化為實際的產(chǎn)品。趙世鈺介紹，空中操作機器人或者帶臂無人機有望解決工業(yè)場景中許多問題，屬于競爭少、潛力大的“藍?！鳖I(lǐng)域。
“就像很多老師說的，研究要‘頂天立地’?！斕臁褪亲非蟾呔獾难芯浚梢蕴祚R行空；‘立地’就是落地，解決實際問題。”趙世鈺告訴《中國科學報》。
趙世鈺投入3000小時
2019年，趙世鈺離開了任教3年的英國謝菲爾德大學，回國加入西湖大學。剛安定下來，他便開啟了一項龐大的工程——制作一門嶄新的、關(guān)于強化學習的免費公開課。
觸發(fā)這一行動的，是他自己的學習經(jīng)歷。
趙世鈺本碩畢業(yè)于北京航空航天大學，博士畢業(yè)于新加坡國立大學，師從無人機領(lǐng)域的資深專家陳本美。這些經(jīng)歷使趙世鈺的數(shù)學基礎(chǔ)打得非常扎實。但在2016年剛接觸強化學習時，他發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的教材難以讓人輕松“學會”。
當時，關(guān)于強化學習，已經(jīng)有很多藤校和“大?！弊龀龅慕滩暮徒虒W視頻，怎么就學不會呢？
趙世鈺起初覺得，學不會，一定是自己的問題。
隨著學習的逐漸深入，他發(fā)現(xiàn)，這可能不是自己的問題。現(xiàn)有的教材要么太過專業(yè)，需要有很強的控制背景，對學習者不友好；要么奉行“無痛學習”，回避數(shù)學原理，但這讓學生難以透徹理解。
“要想真正地理解，‘無痛’是不可能的，要花時間去透徹地學習數(shù)學原理?！壁w世鈺告訴《中國科學報》，他從零開始，花了3000多個小時將《強化學習的數(shù)學原理》挖掘和呈現(xiàn)出來。
那段日子，趙世鈺要組建實驗室、帶學生做科研，同時又要寫教材、錄視頻。從教材里的每一句話、每一張圖、每一個公式，再到PPT的制作甚至設(shè)計護眼背景色等細節(jié)，他力求讓同學們擁有最好的學習體驗。巨大的工作量讓趙世鈺中途一度想放棄。
趙世鈺笑著說：“這輩子不會再做第二次了?！?span style="display:none">n73速刷資訊——每天刷點最新資訊，了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM
隨著近幾年大語言模型和機器人的熱度升高，這門《強化學習的數(shù)學原理》被越來越多人點開。目前，該課程在GitHub上已有一萬多星，B站播放量在同類型課程中排名第一，教材銷售超過1.5萬冊。課程“火”了！
B站課程截圖“全網(wǎng)有很多好的反饋?！绷钰w世鈺最有成就感的，是來自天南地北乃至海外的來信和留言。
有的學生留言：“聽了趙老師的課，我的腦袋真正打開了?！庇械膶W生聯(lián)系趙世鈺，向他展示了自己的代碼實現(xiàn)。有的學生認認真真梳理了筆記，加入自己的理解后，又將教學視頻二次創(chuàng)作。
“沒有垮掉的一代?，F(xiàn)在很多年輕人都能沉下心來做學問，他們非常認真地學習我的課程，這讓我也沒想到。”趙世鈺說。
近日，一位英國倫敦政治經(jīng)濟學院的資深教授向趙世鈺發(fā)郵件稱，他也準備開設(shè)強化學習的相關(guān)課程，因為從趙世鈺的課程中收獲頗豐，特此發(fā)來郵件表示感謝。“以前都是中國學者閱讀國外的教材，未來希望越來越多的外國學者能讀我們中國學者的教材！”趙世鈺說。
作為導(dǎo)師，趙世鈺悉心培養(yǎng)著每一位學生。
他講起一位“特別”的學生。這名學生本科和碩士分別畢業(yè)于西工大和上海交大，剛到趙世鈺實驗室讀博時，性格非常靦腆，但做事細致深入。博士順利畢業(yè)后，繼續(xù)跟隨趙世鈺做博士后。
就在做博后期間，一家企業(yè)向這名學生拋來了高薪“橄欖枝”。在與趙世鈺溝通后，這名學生決定中途退站，前往業(yè)界“闖一闖”。
趙世鈺完全尊重和支持學生的選擇。后來，在企業(yè)界工作了一段時間后，這名學生決定自主創(chuàng)業(yè)。
再次見到這名學生時，趙世鈺欣慰地發(fā)現(xiàn)，他已不復(fù)當年的靦腆，整個人都“打開”了，思維更立體，眼界也更廣。
“培養(yǎng)的學生未來超過自己，也是老師的成就之一。”趙世鈺說。
做有價值的事情，必然給世界帶來回響。這種“心氣”，一直推著趙世鈺一路向前。
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