激光测振，给机器人明亮的眼睛和灵敏的耳朵

--联盟创新风采系列报道之二十四

人的眼睛和耳朵，是人类五大感知器官中最重要的两个感知器官，负责为大脑提供视觉和听觉信息。“眼观六路，耳听八方”，充分体现了人们对视觉和听觉的重视和厚望。人类要发展机器人，也必须把机器人的眼睛和耳朵做为关键的技术进行充分研究。

2017年8月23日，这一年的世界机器人大会在北京举行。在这个大会上，举办了一个带直播的专场论坛，论坛的主题是“激光测振对机器人发展有哪些意义”。北京大学工学院的刘立教授，河北工业大学机械学院的侯书军教授，以及舜宇集团的宋云峰博士，齐聚一堂，对激光测振技术在机器人身上的应用前景，展开了深度的探讨。

在发言中，舜宇集团宋云峰博士表示，他个人研究激光测振三十多年，在清华大学攻读博士期间，就迷恋上了这个方向，此后从未放松过研究和跟进。激光测振技术，可以让机器人具有更明亮的眼睛，又可以具备更灵敏的耳朵。目前在机器人上常用光学摄像头和麦克风分别作为机器人的眼晴和耳朵，为机器人提供视觉感知和听觉感知，但随着机器人往高速高精度方向发展，传统的摄像头和麦克风在很多需要观察非常精细的及动态的场合已无法满足要求了。激光测振技术，具有纳米级精细分辨率和几十兆的高频响应，可为机器人的视觉和听觉提供一种更加精细和灵敏的手段，使机器人看到人眼看不到的细微结构，听到人耳听不到微弱声音。“比如动一些特别精细的手术，如果医疗机器人手臂的振动达到了几十微米，而手术的要求是机器手臂振动幅度不能超过五微米，那么，这台机器人就需要先停下来，把振动调整到五微米以内，才能够继续进行手术。手术机器人手臂的振动大小的监测，就是由激光非接触测振来完成的。”

百度百科介绍说，激光是20世纪以来继核能、电脑、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。英文名Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，意思是“通过受激辐射光扩大”。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。激光的原理早在 1916年已被著名的犹太裔物理学家爱因斯坦发现。激光相比普通光源单色性、方向性好，亮度更高。激光应用很广泛，有激光打标、激光焊接、激光切割、光纤通信、激光测距、激光雷达、激光武器、激光唱片、激光矫视、激光美容、激光扫描、激光灭蚊器、激光无损检测技术等等。

宋云峰博士介绍说，机器人要和激光测振技术融合应用，就需要有非常好的“感知层”，然后通过传感器，把感知到的信息提取到应用层和决策层。世界是由物质组成的，而世间的万物都在振动。因此，万物之间的关系，都可对双方的动态关系进行实时测量，以获得最精准的动态信息。“测量”时，激光探头发出多普勒信号，根据速度与多普勒频率的关系得到双方的位置状态。由于是激光测量，没有干扰，测速范围宽；由于是用激光，因此，测量的点位只需要几微米，因此无论是肉眼可见的普通物体，还是肉眼看不见的微纳物体都可以被精准测量。由于多普勒频率与速度是线性关系，和被测量点的温度、压力没有关系，因此，激光多普勒测量仪，可以说是目前世界上速度最快、测量精度最高的仪器。

宋云峰博士说：“激光测振技术在机器人身上已经应用得非常普遍。机器人的未来发展，必然是越来越像人，必然是越来越综合、灵敏。所谓的越来越像人，首先得是它的感知系统，眼睛也好，耳朵也好，都要非常的灵敏。这方面，激光测振技术，可以帮助机器人更好地‘看准’，更好地‘听清’，所以，机器人在这方面完全可以取代人。但是，此前的机器人在快速决策方面，不如人的及时和灵动。人有一种能力，就是在获得信息的同时，决策也基本上同步做出了，比如我耳朵听到后面有人喊我，我就会马上转身回望。机器人听到了后面的声音，但马上回头还需要有人下决策，如果这个回头的动作没在原来设定的程序里，机器人就可能不会回头。”

2020年6月10日，中关村融智特种机器人产业联盟，与中国野生动物保护协会，举行了一次“针对野生动物保护的智能应用交流对接会”。中关村融智特种机器人产业联盟执行秘书长陈晓东，专门邀请了宋云峰博士参加。

中国野生动物保护协会想要解决的痛点问题是两个，一是如何准确地识别野生动物的种类、精确统计野生动物的数量；二是如何对伤害野生动物的行为及时发现，及时干预。宋云峰博士说：“这个完全可以应用我们激光测振技术啊。因为随时各种植材料和综合手段的应用，测光测振仪已经可以做得非常小，小到和手机差不多。体积越小，与其他功能的融合就越容易。它装到机器人身上，装到无人机身上，都完全没有问题。”

宋云峰举例说，激光测振可以侦听几百米外的“盗猎分子”的交流，摄像头可拍摄他们的照片，测振仪可以用激光测出他们的声音，并收集他们的声音。这对固定盗猎分子的行踪和违法犯罪的证据，非常有意义。

同样的原理，如果是森林里有两只小鸟在“交流”，一样可以用激光测振仪测出他们分别的状态。对人来说，两只小鸟如果同时鸣叫，听起来是混在一起的，但对激光测振仪来说，它们完全就是两个不同的频率，可以精细区分。不要说小鸟，就是小昆虫也一样可以这样分别出来。

在交流快结束时，宋云峰又向中国野生动物保护协会副秘书长郭立新提了一个问题：“保护野生动物，需要不需要对他们的声音进行录制？如果需要录制，我们激光测振仪也有非常广阔的应用空间。”郭立新说：“用对野生动物的声音进行录制以研究和监测野生动物，是生态环境保护界一直在做的研究，国际上开展得非常的充分了。我国在这方面也有一些应用，但整体来说还是不太广泛和普遍。如果激光测振仪能够帮得上忙，那当然也非常欢迎。光有好技术不行，必须有好的产品。期待舜宇集团能够提供好的产品来帮助中国野生动物的监测和保护、研究工作。