文/周文燕 丁莉莎

中国海洋大学工程学院博士研究生，山东阿图机器人科技有限公司总经理，第十六届中国大学生年度人物，“互联网+”创新创业大赛金奖获得者

第一部作品

善于观察、勤于思考是郭亭亭的突出特点，他本科专业是电气工程及自动化，第一部作品“喷药机器人”正是在他的细心观察中获得的灵感。

一次偶然的机会，郭亭亭注意到医院传统的喷雾器人工消毒不仅耗时，还存在风险，于是他便开始着手设计一台可以自动喷药的机器人。从购买零件，到硬件组装，他的第一代喷药机器人诞生了，“它能识别空气中特定气体的浓度，低于一定浓度时会自行喷药，而且每隔一定时间自动运行一次。”后续改良的第二代喷药机器人，还可识别特定植物，并定点定量喷洒药物，应用于农作物药剂喷洒，既节省了人力成本，又减少了农药浪费，为种植户带来了实实在在的便利实惠。

水下“清道夫”

怀揣着对机械与电气的热爱，郭亭亭从青岛农业大学本科毕业后，考入中国海洋大学工程学院攻读硕士。硕士毕业后，他又师从宋大雷教授，攻读港口、海岸及近海工程专业博士研究生，主攻课题是研发高性能船体清洗吸附机器人。

“海洋平台、海上风电系统、船舶等海工装备是发展海洋强国的重要设备，这些装备长时间浸泡在海水中会受到大量海洋生物的附着，加剧材料腐蚀。这不仅带来装备能耗问题，而且还会降低使用寿命，因此需要定期清洗和检修。”郭亭亭将自己的研究方向与国家需要结合起来，致力于破解“水下难题”。

目前，对各类海工装备的清洗检修主要依赖人工，但水下作业环境复杂，极具高风险，受作业时间和范围限制、作业强度大和效率低等多种因素影响，清洗和检修质量难以保证，且安全隐患突出。

“机器人清洁使用的是水射流技术，通过喷射高压水束使海工装备表面的附着物脱落，因此，水射流喷头工作时产生的反作用力很大。而且，机器人携带各类装备检修作业，这些载荷装备对机器人本体的反冲力也很大，机器人想要稳定附着在这些装备表面并不容易。”郭亭亭说，传统主流采用磁吸附的机器人，虽然吸力很大，但是这要求海工装备必须是导磁材料，而且磁吸附机器人布放和回收时，与母体装备的分离难度很大，极易因磁泄漏问题对船只罗盘等传感器造成干扰。所以，水下清洗机器人项目的最大难点在于，机器人如何更高效吸附到各类水下装备表面，且能够灵活移动清洗和检修。

读博的头3年里，郭亭亭在关键技术的原理验证上失败了数十次。功夫不负有心人，在与导师数次头脑风暴后，郭亭亭受伯努利原理的启发，在研究机器人高效吸附问题方面打开了一扇窗。

根据伯努利原理，在流体中，速度大的地方压强小、速度小的地方压强大。现实生活中，飞机机翼升空就是利用的此原理。机翼的上方气流流速比下方快，所以，上方的流体压强就比下方低，上下机翼面的压差使飞机受到向上的力。而水下吸附清洗机器人就是通过加速自身和被吸附物之间的流体速度，使这些流体产生负压区域，与外面流体形成强烈的压差，将机器人稳固地“按”在船体上。

团队目前研发的水下吸附爬壁机器人，外观酷似一个大型“扫地机器人”，别看机器人的大小只有不到1米见方，但吸附力可达到数百千克，配合具有自主知识产权的全向转向和移动装置，此款机器人既能在船体表面稳固吸附，又能灵活移动，并完成各类观测和作业任务。

未来，有了这个水下“清道夫”，可以更加安全有效地给海工装备“洗洗澡”，降低能耗，提高使用寿命。

“雷神一号”“火神一号”

2020年初，新冠肺炎疫情肆虐，郭亭亭敏锐地注意到消毒医务工作者这个群体。当下，国内的消毒工作主要依靠人工背负喷药机完成，存在自动化程度低、喷雾扩散射程短、雾滴穿透能力差等问题，更重要的是，工作人员在消毒过程中面临因作业暴露和防护不当导致感染病毒的风险，二次传播的几率非常大。

1.农业喷药机器人

2.井下钻孔探测机器人

3.防爆消防灭火机器人

4.消杀机器人

郭亭亭一边关注疫情防控，一边思考着“我能为他们做些什么”。他紧急召开了线上会议，组建临时研发小组，决定研制一款能代替人工消毒的机器人。而且，这款机器人要能够针对尽可能多的应用场景，比如具有复杂地面环境的养殖场、需要爬坡或楼梯的多层车站和医院等场所。这样才能完全替代人工消毒作业，发挥其重要价值。

仅3天时间，郭亭亭就带领团队完成了机器人整机的机械详细方案设计。由于人手不足，郭亭亭不仅要负责机器人的控制算法，还临时担负起了机械工程师的职责。为了加快研发速度，郭亭亭团队采取软硬件同步研发，通过半实物仿真系统搭建联调平台，以降低机械和软件研发周期和进程带来的干扰。

以往，机器人携带的作业装备都是固定在移动底盘的中心处，这样机器人运动时会比较平稳。但消杀机器人不同，由于在移动底盘前端必须安放消毒弥雾机，只能将药箱后置。机器人在带动消毒药箱移动时，内部消毒液会来回晃动，这给机器人的重心位置和运动平稳性造成极大扰动。

5.郭亭亭在维护机器人

6.研发团队成员张志轩

7.研发团队成员李栋

如何解决机器人因为消毒液重心晃动而导致倾覆的难题，就像一座大山摆在了郭亭亭面前。为了解决这个难题，郭亭亭带领团队反复试验寻找解决方法，最终研发出机器人重心时变调节技术。

当机器人爬楼时，机器人自动感知自身姿态，控制器驱动内部的平衡块向前移动，将机器人重心前移调整；当机器人下楼时，控制器驱动平衡块反向移动，从而完成对机器人重心位置的自适应精准调节，保障机器人爬坡越障性能。采用重心时变调节技术的机器人，其底盘内部类似不倒翁的结构，每当机器人在斜坡、楼梯上移动并向一侧倾斜甚至有颠覆可能时，此设计就会将机器人反向“拉”回到平衡位置，保证机器人在复杂地面环境中移动的平稳性。

郭亭亭团队从设计雏形、研发实物到调试程序、场景应用，整个过程仅花了短短10天，智能消杀战“疫”机器人诞生了，主要包含两类产品——履带式消杀机器人和轮式消杀机器人。郭亭亭将这两款机器人分别命名为“雷神一号”和“火神一号”。据悉，这两款机器人被捐赠给武汉后，成为助力病毒消杀工作的“得力干将”，累计消杀千万平方米区域，有效降低了人员接触带来的交叉感染风险。

目前，郭亭亭团队优化的二代机器人正加紧研发，他们在机器人上又集成了全自动多发热源快速探测、追踪锁定、人脸识别和预警技术。机器人采用二维回转云台，配合矩阵式红外热成像装置，在对周围环境监控的同时，可实现对多人同时进行体温高精准测量，对体温过高的发热人员利用AI技术实现人脸识别，控制机器人快速对发热人员跟踪并上报预警，实现对异常目标的快速判断。

钢铁战士

早在2017年，郭亭亭就创立了山东阿图机器人科技有限公司，担任总经理一职，如今公司基于现实需求瞄准了特种机器人领域。

机器人大致分为工业机器人、服务机器人和特种机器人3类。作为机器人里的“特种兵”，特种机器人能“听”声音、“闻”烟雾、“看”画面、“感”温度、“响”预警，可以承担各种危险任务，代替人类进入极端环境中工作，在其中发挥侦察、应急救援和处置作用，如消防侦察机器人、灭火机器人和巡检机器人等。面对复杂恶劣的事故环境，如何让特种机器人价值最大化是郭亭亭团队的研发重点。

为了让机器人移动更灵活、爬坡越障性能更强悍，郭亭亭团队对机器人悬挂系统做了深入研究，从结构设计到动力学和运动分析，再到轻量化设计，经过一次次调整后，机器人最高可实现38度的爬坡能力，形成了特种移动底盘系列的专利30余项，完成专利池的初步构建。

在提高机器人的防护性能上，郭亭亭团队攻克了防爆结构设计、工艺改进和防爆电源等方面的核心技术。为了让机器人故障率最低，他们对机器人的故障诊断和容错控制进行了探索，甚至研究每一颗螺栓的扭紧力矩和螺纹紧固胶的涂装位置，将细节做到极致。郭亭亭说：“只有将机器人做得极其可靠稳定，才能在危难关头发挥作用，救人于水火。”

参加创新创业大赛路演

郭亭亭和团队成员对样机进行测试和研讨

经过试验，郭亭亭团队设计的防爆消防灭火侦察机器人，可以在高温高湿的环境中开展作业，喷出泡沫、水等消灭各类火型，射程可达100米，约为30层高的楼房。能进入火场进行侦察探测，将“看到”的现场情况实时传回后方，帮助外围救援人员进行高效决策。灭火时，机器人携带的消防水炮可以通过检测火源位置进行高精准定点灭火。不仅可以灭火，机器人还能在火场保护自己。它们身上装了测温系统，当“体温”过高时，就会开启“降温”模式，喷出水幕保护自己。

“这种机器人还有一个大本领，就是能够冒着起火和爆炸的危险，第一时间冲进火场，利用携带的生命探测仪对被困人员进行搜寻。当发现被困人员后，还能承载其逃离灾害现场。由于机器人配备了高性能的悬挂移动系统，像爬楼梯这样的复杂地面环境它也能轻松通过。”郭亭亭介绍说。

2019年12月，山东省烟台市某机械厂突发火灾。现场浓烟四起，火势极大并发生燃爆，消防人员侦察火情受到阻碍。于是，消防部门紧急安排多台此款消防灭火侦察机器人增援。为确认着火仓库内有无被困人员和危化品，机器人率先冲入火场，利用携带的生命探测仪和全向云台进行侦察，并将探测的信息实时传回指挥中心。随后，机器人拖拽着几百公斤重的消防水带（在消防过程中，仅一根80mm口径的水带，往往需要4名消防员扛起作业），越过障碍，利用全回转消防水炮将高压水喷射至百米远处，对着火点定点灭火实现精准扑救。经过不到1小时的奋战，火势得到控制，现场没有人员伤亡。

如今，郭亭亭带领团队成功研发了防爆消防侦察机器人、消防灭火机器人等十余种产品，部分产品已经在天津、威海和烟台等地投入多次消防演习和实战应用，公司累计销售额突破2000万元。

谈及未来，郭亭亭表示，他将继续带领团队投身科研攻关，深耕机器人领域，为重大自然灾害应急和公共安全提供技术保障和装备支持。