机械工程资深导师杜克博士后：关于机器人科研的专业建议！

作为科研的大热门方向，机器人是无数学子向往的学科。现在的不少学校更是让孩子从小练起，早早地就在小学就开设了机器人编程课程。但仅仅让机器人动起来是不够的，我们的目标是让机器人动得更好。

今天我们邀请了机械工程方面的资深导师，来为我们大起底研究机器人学科需要的具体能力，并为想要进行机器人相关科研的学生提出一些专业的建议！

翰林有方O导师

• 杜克大学电子计算机工程博后研究员，普渡大学机器人学（信息工程排名全美第四）博士；
• 研究领域为机器人控制，多机协同，面向自动驾驶的联合感知等；
• 发表四篇一区期刊，十余篇国际顶级会议，学术功底深厚，教学经验丰富。

对于机器人这一大热方向，O导师有自己独特的见解和看法。究竟什么样的学生适合研究机器人？机器人相关课题在科研赛事中又有什么样的优势？对机械工程/人工智能/自动化等有兴趣的同学赶紧来一起学习吧~记得收藏文章哦！

#以下为O导师第一人称叙述

01“年轻又古老”的机器人学科

Q：您为什么会选择研究机器人？

A：家里长辈都是工科专业毕业，在他们的耳濡目染下，对相关领域产生了兴趣，本科就选择了机械工程专业。

当时我们学校组织了一些面向大一新生的学术报告会，我们可以自由报名感兴趣的场次、了解该方向的前沿知识，我选择的是一场关于机器人的报告会。在现场，我听到了德高望重的老院士介绍他们课题组历年以来做过的所有机器人，深深地吸引了我，也越发坚定自己深耕机械工程专业的信念。
设计机器人并非易事，在本科四年间，我通过课程积累了不少学科知识，包括机器原理、力学分析等，为将来的从事机器人设计打下了较为扎实的基础。为了加深自己在机械工程领域的造诣、搭建能够自由移动的机器人，我去浙大读了研究生，增加了自己在电子方面的知识。

在读研期间，我发现国内的机器人自动化技术比较领先，但关于如何统筹多个机器人高效完成一项任务，当时国内并没有相关研究。我对这个方向很感兴趣，于是前往杜克大学进行机器人协作研究。

Q：机械工程专业有哪些研究方向细分？中、美大学的研究重点和培养模式有哪些不同？

A：机械工程是一个很大的专业，国内和美国囊括的细分方向不同。国内的机械工程包括工程制图、机械设计、机械加工等各个分支。机械工程也很适合与其他学科结合进行交叉研究，比如与电器相关可以研究机电系统，与芯片相关就变成芯片加工。

国外把较为前沿的纳米工程、偏理论的机械控制、以及生物材料、化学材料、空气/流体力学等方向也归入了机械工程，使得学科构成变得更为庞大，让我得以接触更多优秀的教授和研究员。
国内和国外的培养风格也不同。国内强调“学得精”，力求深耕本专业，优势是术业有专攻，利于培养细分方向的顶尖人才，同时注重多方向融合；国外偏向全方位发展，要求学生“学得广”，优势是能够锻炼学生逻辑思维、系统性思考能力。

从研究内容来说，国内的优势在于强大的执行力，能够把一个想法很好的落地；国外比较善于提出问题、开创新的研究方向，从而引领研究潮流。

Q：说到机器人的结构与需求，这是一个类似“先有鸡还是先有蛋”的问题。人们可以根据现有的机器人结构来思考其应用场景，也可以根据某一特定需求来设计与之相符的结构。您是怎样看待机器人的“结构与需求”之间的关系？

A：机器人是一个既年轻又古老的学科。说它年轻是因为机器人研究在近二十年发展非常迅速，高效率、老龄化严重、青壮年劳动力不足的时代背景让更多人开始关注机器人，成为加速行业发展的契机；说古老是因为它的历史悠久，诸葛亮发明的粮食运输工具木牛流马算是古代早期机器人的一种。

通过前人积累的大量研究经验，大家对什么样的机器人适合什么工作已经达成一定共识。当你需要处理某个任务时，你对机器人结构、大小等这些有心理预期的，我们可以利用现有的资源和成品，做出具有针对性的改进，这是现在机器人研究的核心。

机器人是一个极其复杂的研究领域，需要每个自然学科/工程学科贡献最核心的知识点，是各学科的“集大成者”，它的跨学科特性也正是其“年轻”的体现。

02研究机器人对中学生来说很难吗？

Q：如何把前沿的研究内容转化为中学生也能做的科研项目？

A：中学生做科研主要有两个关键因素：足够的知识积累+合适的老师。

对于有研究热情的学生，我会毫无保留地倾囊相授，给学生灌输相应的学科知识和学习体系，引领他们进入机器人研究领域。我是一个比较清楚自己要什么的人，在本科阶段确定了自己未来的发展方向后，所有努力都是在为达成目标在铺路。所以我希望学生能有自己的想法、以及为之奋斗和钻研的热情，我会作为联结梦想与现实的“引路人”，带着TA们一起去实现。

如果用做菜类比科研，首先你得学会洗菜切菜、开火热油，这是做菜的基础技能，带入到科研就是锻炼综合能力，阅读、信息检索等，以及掌握工具学科的原理，最初做不了深入的分析是很正常的。就像在搭建一个机器人前，你得知道每个零件如何设计、用什么软件设计、设计软件怎么用等知识。在打好基础后，学生可以根据研究主体进行针对性学习，对一个目标深入度挖掘。
如上图所示，对于机器人研究，我主要把它分为三个阶段。每一步都是研究的重要基石，如果能在每个阶段有所产出，那最后设计出来的机器人就会比较成功。

要做出一个好的科研需要大量积累，储备的知识越多、能想到的程度就越深、研究也会更扎实，而在做实验的过程中，学生免不了会碰到困难。

Q：有哪些让您记忆深刻的跨学科研究案例？

我见过最“远”的跨学科案例是心理学+机器人。

我在读博期间认识了几位研究儿童抑郁症的心理学教授，他们想做一个能够提供治疗手段的机器人，这是一个非常新颖的跨学科研究。
在教授的介绍中，我们了解到很多患有抑郁症的孩子有一定自闭倾向，他们不愿意和陌生人沟通、与“人类”建立情感的耗时较长，也无法通过别人的面部表情识别他们的情绪。教授们希望可以通过机器人反复展现面部变化特征，以此形成学习过程，帮助孩子们辨别各种情感。

还有“自动驾驶+机器人”，利用机器人视觉让汽车“看”路；“生物+机器人”可以结合近期由工程学主导的生物学发现实例，选择单腿或多腿机器人作为研究对象，制作仿生腿运动机器人，这也是我擅长的领域之一。

O导师在采访中提到了“生物+机器人”的研究领域，目前翰林有方的课题库也有O导师带教的相关课题。对机器人感兴趣的同学可以扫码咨询课题详情哦！

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03做科研的核心是锻炼解决问题的能力

Q：什么样的学生适合跟您做科研？

A：对机械、电子、控制、软件工程感兴趣的学生都可以跟着我做研究，我会基于他们的想法来设计有趣、且具有创新性的课题，最后可以有实物产出。

现有的机器人产品不一定能代表学界前沿的研究成果，市场有滞后性，而我们做的是既前沿、又可以投入大规模商用的机器人。根据研究方向和具体用途，做出来的机器人大小也各不相同，可以是大到需要在研究所才能完成的机器人、也可以是只需一台家用3D打印机就能做出来的小机器人。

翰林有方学术S老师
机械正在朝着更加智能、精准的方向发展，O导师设计的项目都会在很大程度上考虑落地效果，非常适合工程类的赛事，如ISEF、青创赛、丘奖等，项目方案综合考虑成本、精度和识别率等等方面的指标，以便于智能机械能够得到更好的普及。

A：了解到您之前也有带过高中生和大学生，您的带教/授课风格是怎么样的？学生在学习的时候遇到了困难，您会怎样指导他们？

比起直接给出答案，我更喜欢做引导式教育，为他们指出大方向，布置相关文献阅读任务。经过学生的自主思考后，我们再来探讨如何处理问题。

当学生在研究过程中碰到了困难，我们会进行一场会谈，分析研究的进展，找到问题出在哪里，梳理解决思路，一步步化解困难。这样的思维培养对孩子的成长是很重要的。

翰林有方说

零基础的同学也不用担心，我们会根据每位同学的基础设计前置课程。翰林有方学术老师会带学生进行工具学科的学习、相应学科知识的补充，确保同学在导师课开始前拥有足够的知识储备。

学术老师还会定期观看课程录播、进行学术评审，确认学生的学习进度和吸收情况，并及时反馈给家长，避免出现学不懂、不敢问、跟不上等情况。

Q：做科研可以提升中学生的哪些能力？

A：做科研是一个提升学生综合素养的过程。做科研需要了解该学科的基础知识和研究技能，这可以增加知识储备；做科研需要进行辩证思考，反复思考这么做是否可行、这样设计是否合理，培养逻辑思维能力。

做科研会遇到各式各样的问题，无论是上网检索、询问老师还是在老师的指导下自行钻研，这都能锻炼学生解决问题的能力。不仅如此，学生的阅读能力、写作能力都会得到训练，对于做研究的流程也会更加熟悉。

Q：机械工程、人工智能是现在比较热门的申请方向。拥有一段相关的研究经历会对申请大学带来哪些帮助？

A：我认为主要在两个方面：学术积累和背景提升。一段科研经历可以给学生将来的学习打下坚实的基础；而拥有一个具体的研究成果，包括做出了一个机器人实物、发表了期刊，甚至在比赛中获奖，这些都能成为学生热衷于机器人研究的佐证，在申请材料中树立一个丰满的“人设”，给大学招生官留下鲜明的记忆点。

再次感谢O导师的倾囊相授！从老师的身上，我们能感受到对科研持续的追求和对自身的高要求，相信大家也能从采访中受益匪浅。