进展停滞、遭权威质疑！她说：“做科研不能闭门造车”
仿真模型又倒了，研究再一次宣告失败。
外骨骼具身智能研究是一个略显空白的领域。如何在数字仿真中构建模型？这个问题困扰了罗淑贞将近两个月。
研究进展停滞、工作受到权威学者质疑，这一切都让当时的罗淑贞倍感压力。但她从未想过放弃，坚信一定能克服研究挑战。
日前，美国安柏瑞德航空航天大学机械工程系助理教授罗淑贞，以第一作者身份发表了人生首篇Nature论文。在这项成果中，研究团队跨越了仿真与现实之间的鸿沟，提出了一种在计算机仿真环境中通过强化学习让机器人学习控制策略的新方法——“计算机仿真中的机器学习”（learning-in-simulation）。在没有进行任何实验的情况下，研究团队实现了纯数字仿真训练，让使用者穿上外骨骼，立即就能实现良好的行动状态，无须耗时费力进行训练，而且根据不同使用者的需求，它还具备自主调整能力。
罗淑贞等发表的Nature论文这项研究标志着外骨骼技术的重大突破，使机器人更加智能和实用，有望极大地提高老年人、行动障碍人士和残疾人的生活质量。美国北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程系副教授苏浩为该论文的通讯作者。
科研是一件非常孤独的事情
所谓“外骨骼”，其实是一种穿戴式机器人，通过提供外部动力来辅助运动，增强力量和稳定性。它可以改善人类的运动，恢复残疾人的行动能力,显著提高人们的健康水准和生活质量。
尽管现有的外骨骼有助于人类行走，但是通常仅限于实验室环境中使用。“目前，外骨骼控制算法通常需要长达几个小时的实验和参数调整，这一过程耗时又耗力，成为外骨骼技术应用广泛化的主要障碍。”罗淑贞解释道。
在最新发表的研究中，研究团队打破了传统的外骨骼模式，开发了一种利用人工智能（AI）和计算机模拟训练外骨骼机器人的方法。该方法使得外骨骼的设计和所有训练均在数字仿真环境中进行，无须穿戴外骨骼实验，就能够模拟和评估外骨骼在真实环境中与的交互过程。
“当人穿戴上外骨骼后，无须任何人工调试，外骨骼设备会立刻感知穿戴者的意图，在正确的时间为使用者提供最合适的助力。它不仅能自主适应走路、跑步、爬楼梯等多种动作，还能大大节省行走时的体能消耗。”罗淑贞说。
在数字驱动的仿真空间实现对现实情况的模拟，是这项研究最大的亮点之一，也是最难攻克的技术难题。
“人作为一个自主的智能体很难被模拟。在仿真过程中需要综合考虑多种因素，如的生物力学特征、实时模拟人和外骨骼之间的信息交换和交互过程，以及适应不同个体的生理特征和运动方式。因此，确保外骨骼能够根据个体差异进行学习和调整有很多的技术难点。”罗淑贞解释道。
为攻克模拟难题，研究团队创建了高保真的肌肉骨骼模型，并在模拟中设计了生体运动、肌肉协调和外骨骼控制的3个深度神经网络闭环仿真训练方法，通过交换状态信息实现精准模拟人机互动过程。
3个深度神经网络闭环仿真训练方法。图源：Nature论文
然而，如何将这3个深度神经网链接起来并保持稳定？这个问题曾困扰了罗淑贞许久。
“研究进行了约1年半时发现，仿真经常在模拟过程中倒下。我们多次尝试更改参数或是调整算法，都无济于事。”罗淑贞回忆道。
在这段时间里，研究进展停滞、始终无法找到有效解决方案的罗淑贞陷入了挫败和困苦，产生了无数次的自我怀疑。
与此同时，相关领域的研究人员也对这项工作产生了质疑，其中不乏来自著名高等教育机构的权威学者，无形当中让罗淑贞感到压力倍增。
“其实，大多数人认为仿真是不靠谱的。由于人类个体非常复杂，在没有使用大量数据库的情况下，要在这项研究中实现对个体差异性的模拟，许多人认为这是很困难的。”罗淑贞说。
然而，即使是面对研究挑战和权威质疑的双重压力，罗淑贞也从未想过放弃，直到她参加了一场机器人顶会时，事情出现了转机。
当她与在场的一位美国教授交谈这项研究，并提及自己的困境时，无意间听到人群中的一名博士生插话说：“肯定是先保证人是稳定的，才能去思考外部的事情。”当时的罗淑贞并未细想这名博士生的话，然而当她回到实验室再次思索时，茅塞顿开。
“我意识到，在外骨骼的设计过程中，仿真训练需要一个明确的目标函数，比如确保人能够稳定行走。于是，我在外骨骼的目标函数中加入了保证人稳定的一项关键因素。后来发现，整体效果有了显著提升。”罗淑贞告诉《中国科学报》。
罗淑贞。受访者供图在罗淑贞看来，做科研是一件非常孤独的事。在面临挑战时，研究人员不可避免地会因为没有任何思路而陷入科研困境的死循环，而开放的沟通交流一直都是她寻找突破的重要途径。
“做科研不能闭门造车。通过与他人沟通交流，不仅可以帮助自己重新梳理研究思路，还能够打破思维壁垒。所谓旁观者清，旁人很可能会发现一些自己未注意到的细节或者关键点，从而帮助自己找到新的解决方法。”罗淑贞说。
为确保通过仿真学习得到的外骨骼能够在实际应用中发挥预期效果，研究团队对其进行了3种动作（步行、跑步和爬楼梯）的有效性验证，每种动作均包含8位健康受试者。结果显示，佩戴外骨骼设备的受试者的平均新陈代谢速率在行走时降低了24.3%，在跑步时降低了13.1%，在爬楼梯时降低了15.4%。这些降幅超过了以往研究中任何一款使用便携式下肢外骨骼实现的能量降幅。
2023年9月4日，研究团队第一时间将文章投给Nature编辑部。“我们收到了3位审稿人的回复，3人全部持积极正面的态度。最后一位审稿人告诉我们，他对这项研究成果感到非常不可思议。”罗淑贞说。
整个投稿、审稿过程比较顺利，研究团队虽然进行了2轮修改，但只是补做了一些分析实验。2024年4月3日，论文被顺利接收了。
脚踏实地，仰望星空
2019年6月，罗淑贞从南开大学人工智能学院孙青林教授的课题组博士毕业后，来到美国继续进行博士后研究。她先后加入新泽西理工学院生物医学工程系周先连课题组，以及北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程系苏浩课题组，正式开启了外骨骼领域的研究。
罗淑贞坦言，她对待科研的态度和理念，深受上述3位导师的影响。在她的印象中，博士生导师孙青林是一个沉着冷静的人，总是能以从容的姿态面对科研中的各种挑战和困难，从不急于求成。
“孙老师深知科研是一个循序渐进的漫长过程。因此，他从来不会催促或是要求学生在短时间内完成某些任务，而是给予学生足够的时间去面对和解决科研中的问题。”罗淑贞向《中国科学报》回忆道。这种教育方式不仅培养了罗淑贞的科研技能，更塑造了她对科学研究的正确态度。
致力于有意义且能够解决现实问题的研究，一直都是罗淑贞做科学研究的信仰。这与她的博士后导师们有着密不可分的关系。谈及博士后导师苏浩对她的教诲，罗淑贞引用了他经常说的8个字来概括：脚踏实地，仰望星空。
“做科研不仅要脚踏实地，也要‘仰望星空’。做科研工作需要有信仰，要知道自己所做的事情是有意义的，且值得去坚持和追求。老师们让我明白，做科研不仅是为了学术突破，更是为了改善人们的生活质量，解决现实中的问题。”罗淑贞说。
在外骨骼研究探索和学习的过程中，罗淑贞正是看到了其对人类健康的潜在益处及其广泛的应用前景，才逐渐对这个领域产生了浓厚的兴趣和巨大的动力，并决定植根于此。
科研是一场修行
今年是罗淑贞从事科学研究的第10年。回顾自己的科研经历，罗淑贞表示：“科研是一场修行，是对性格的磨练，也是一种独特的挑战。在这条道路上，不可避免地会面临各种挫折和不确定性，以及他人的质疑；要耐得住孤独，学会进行长期的探索和思考。因此，具有坚韧不拔的毅力和从容面对失败的态度尤为重要。此外，科研也需要保持自信，相信自己的能力和判断力。”
如今，罗淑贞的角色发生了巨大的变化，她从博士后转变为导师，并且有了自己的实验室和学生。
深受3位导师的影响，在带学生时，罗淑贞同样重视对学生科研态度和理念的培养，并且鼓励学生寻找自己感兴趣且擅长的研究方向。同时，她非常重视导师和学生之间进行及时、有效的沟通和交流。
“在博士生期间，学生可能会因为与导师沟通不畅而感到痛苦，或是发生导师对于学生的困境或难处理解不到位的情况。有效的沟通是解决这些问题的关键。我告诉我的学生，无论他们遇到什么问题和困难，都可以与我交流。我希望能够为他们提供有用的帮助，让他们少走一些弯路。”罗淑贞说。
此外，罗淑贞还注重培养学生的独立思考能力，因为在她看来，“博士生时期是一个提高学生解决问题能力非常关键的时期，会影响他们的一生，以及未来他们自信心的建立”。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07382-4