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做了大半的研究“不幸”撞題!西湖大學新成果突破世界級卡點

2025-11-19 17:09:48 來源: 中國科學報

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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。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

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)。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

《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。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

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。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

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”。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

上天不負有心人,這對師生的堅持有了回報。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

團隊合影,居中為趙世鈺,右二為曹華姿

飛吧,機器人!n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

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。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

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。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

“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)。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

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)


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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。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

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)。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

FlyingToolbox動圖


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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”。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

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。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

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)。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

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。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

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。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

Nature論文


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置之死地而后生n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

“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。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

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。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

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。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

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。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

要不要再試一把?n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

最終,科學的理想超越了一切,帶著他們前行。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

“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。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

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。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

“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》。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

趙世鈺


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投入3000小時n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

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。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

觸發(fā)這一行動的,是他自己的學習經(jīng)歷。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

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”。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

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?n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

趙世鈺起初覺得,學不會,一定是自己的問題。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。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

“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。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

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。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

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!n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

B站課程截圖


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“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。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

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。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

“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。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

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。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

作為導(dǎo)師,趙世鈺悉心培養(yǎng)著每一位學生。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

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。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

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”。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

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)。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

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。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

“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。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

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。n73速刷資訊——每天刷點最新資訊,了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM

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