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上海理工大學莊松林院士和顧敏院士領導下的未來光學國際實驗室宣布，首次利用機器學習反求設計（machine-learninginversedesign）實現了三維矢量全息（Three-dimensionalvectorialholography）的新概念。據介紹，這項發明是光學全息技術領域的一次重大突破，其提供的基于機器學習的反求設計可精準且迅速地產生一個或多個任意三維矢量光場，有望應用在超寬帶全息顯示、超安全信息加密以及超容量光存儲、超精確粒子操控等各個領域。相關研究成果于4月18日凌晨發表在國際頂級學術刊物《科學進展》上。該雜志為《科學》（Science）刊物旗下子刊，是一個涵蓋所有學術領域的開放性、綜合性科學刊物。光是一種電磁波，其在介質中傳播的同時伴隨著電磁和磁場的振蕩，被稱為光的矢量特性。基于光波的橫波特性，光的振蕩通常被限制在與其傳播方向垂直的二維平面上。近些年，研究發現光的振蕩可打破傳統二維平面的束縛，通過干涉產生縱向光振蕩，即形成第三維光矢量。在物理學上，通過求解三維麥克斯韋方程可以正向得到一個三維矢量光場分布，但其不可控。一直以來，精確產生任意三維矢量光場是一個世界性難題，因其需要十分復雜的反求設計，超出了人類知識和經驗的邊界。顧敏院士指導的科研人員利用機器學習反求設計率先實現了三維矢量全息，可精確地控制三維全息圖像中每個像素點的任意三維矢量狀態。“通過機器學習的人工智能新科技，我們首次實現了三維矢量光的操控，并將機器學習的算法延伸到光學全息中去，”顧敏院士說，“這樣的操控是全方位的，包括對每個三維矢量光攜帶的信息進行編碼、傳輸和解碼，因而消除了傳統二維偏振光的束縛。”文章第一作者任浩然博士（目前在德國慕尼黑大學從事洪堡博士后研究）說：“機器學習在光學設計中扮演著越來越重要的作用。我們研究證明訓練后的人工神經網絡可有效地、快速地產生任意三維矢量光場，達到接近百分之百的準確性，極大地提高了光場調控的效率。”這項發明還為光學全息開辟了一條新道路，首次在全息中證明光的三維矢量狀態可以作為獨立的信息載體，實現信息的編碼和復用。顧敏院士說：“這項發明作為光學全息技術領域的一項重大突破，不僅為下一代超寬帶、超大容量、超快速并行處理的光學全息系統奠定了基礎，同時也為加深理解光與物質的相互作用（例如粒子操控）提供了一個嶄新的平臺。”該項工作得到了墨爾本皇家理工大學（RMIT）人工智能納米光子學實驗室以及計算機科學系的大力支持。

項目成果/簡介:世界上有數以百萬的語言障礙患者，其中有的是由于先天缺陷導致其存在語言功能障礙，也有的是后天的一些疾病致使其喪失語言功能，語言功能障礙給他們的生活帶來了極大的困難和不便。電子人工喉是一種簡易的語言康復方法，其通常需要安裝在口內喉部，由肺部發出的氣流經過舌、唇的調制，引起人工喉膜片振動，使其發出語音信號。然而，現有電子喉助音器無法清晰還原患者聲音，發音模糊，訓練周期長，并且需要患者自己手持助

研發階段/n通過人工模擬雌鱔發育的養殖環境，合理的選擇親鱔，設置合理的放養密度，適宜的飼喂及管理方法，產卵前期強化培育及人工調控措施。可將天然狀態下的雌鱔懷卵量每尾170－650粒、平均260粒，提高到每尾懷卵量450－1300粒、平均680粒的水平，黃鱔的平均懷卵量提高了158％，為我國黃鱔規模化繁殖打下堅實的基礎，具有廣闊的應用前景。技術水平：專利技術（國家發明專利授權號：2007100528648）應用前景：我國黃鱔苗種規模化繁育一直沒有突破，主要原因之一是黃鱔懷卵量少，本專利技術可將黃鱔懷卵

本成果可從根本上解決上述痛點難題，傳感器檢測到冰雪等風險路況時，及時向路政、交警部門和社會發送預警和報警信號，以便及時采取風險管控措施，大大降低惡性交通事故發生的可能性。還可與道路融雪化冰系統協同工作，監測到冰雪危險路況時，傳感器信號自動啟動融雪化冰系統工作，消融冰雪，保障道路安全通暢。本成果的主要創新點： 1）壓電平膜傳感器多階諧振頻率和振動譜解析技術； 2）多光譜傳感器光電信號處理技術； 3）復阻抗傳感器信號檢測及處理技術； 4）多傳感器信息融合人工智能技術； 5）傳感器可靠性結構設計技術。 冰雪路況傳感器主要包含阻抗譜、諧振譜和多光譜等三種核心關鍵技術，如下圖所示，其來源于團隊前期研發的壓電平膜式、光纖（光電）式和阻抗式結冰傳感技術成果，均為具有自主創新特色及自主知識產權的研究成果。

該成果由清華大學神經調控國家工程研究中心、昌平實驗室聯合北京清華長庚醫院共同完成。在團隊的聯合攻關下，人工脊髓系統在患者體內發揮神奇功效，實現了和患者的運動協同。

? 氣動人工肌肉驅動器具有較強的柔性及仿生性，其高功率/質量比的特點使之在仿人機器人技術領域中具有無可比擬的優勢。對氣動人工肌肉的靜、動態特性深入進行了建模與實驗研究，進行了氣動人工肌肉驅動的關節特性分析及位置控制研究。分別研制出氣動人工肌肉驅動的仿人靈巧手，以及十四自由度雙臂機器人，通過簡單的材料制作出性能優異的氣動人工肌肉，輔之模糊自適應控制、協調控制等高精度氣動伺服控制技術，實現了靈巧手基于數據手套的主從抓持操作、機械臂自動駕駛方向盤等動作。該研究為氣動人工肌肉的廣泛應用奠定了堅實的

01. 成果簡介 世界上有數以百萬的語言障礙患者，其中有的是由于先天缺陷導致其存在語言功能障礙，也有的是后天的一些疾病致使其喪失語言功能，語言功能障礙給他們的生活帶來了極大的困難和不便。電子人工喉是一種簡易的語言康復方法，其通常需要安裝在口內喉部，由肺部發出的氣流經過舌、唇的調制，引起人工喉膜片振動，使其發出語音信號。然而，現有電子喉助音器無法清晰還原患者聲音，發音模糊，訓練周期長，并且需要患者自己手持助音器于喉部，造成極大不便，所以亟需便于失語者攜帶、操作簡單、性能優異的新型人工喉的器件及系統研究。 本成果團隊研究的第二代石墨烯智能人工喉（WAGT）在器件柔性可貼附、聲音收發系統集成、動作監測系統、輕型可穿戴等方面有了重大突破。首先，第二代石墨烯人工喉采用了更貼合人體皮膚的紋身式薄膜作為襯底，無需膠帶粘貼，可直接貼敷在人體喉嚨，極大地提高了佩戴舒適感；其次，第二代石墨烯智能人工喉在收發聲系統方面有了雙重突破，實現了石墨烯的器件級應用至系統級應用的跨越。通過專用電路對聲音信號的放大和轉換，第二代石墨烯智能人工喉首次將收聲系統和發聲系統連接起來，實現了聲音輸入到輸出的閉環，并可以通過示波器實時觀測喉部運動情況。接著，通過與單片機的結合，該器件可以將人體喉部的不同動作“翻譯”成不同的聲音，實現了動作發聲系統。通過連接解碼器，該器件還可以播放任意音樂。最后，第二代石墨烯智能人工喉系統可通過臂包穿戴在胳膊上，首次實現了石墨烯人工喉的可穿戴功能。未來將進行體積更小及功能更多的集成，有望實現像“創可貼”一樣貼附在人體喉部并幫助失語者“開口說話”。圖1. 可穿戴的第二代智能石墨烯人工喉系統02. 應用前景 第二代智能石墨烯人工喉集收聲和發聲于一體，可直接貼附于失語者喉部，并將喉部的不同動作轉化為對應聲音，有望幫助失語者正常與他人“交談”。在未來，該器件將與聲紋識別、機器學習等技術結合，在語音識別、家庭醫療等領域具有廣闊前景。03. 知識產權 已獲得國家發明專利授權2項。04. 團隊介紹 本成果項目團隊負責人為任天令教授，清華大學信息科學技術學院副院長，教育部長江學者特聘教授，國家杰出青年基金獲得者，清華大學環境與健康傳感技術研究中心副主任。擔任IEEE電子器件學會副主席（中國大陸首次）、國際微電子領域頂級學術會議IEDM執委（中國大陸首次）、IEEE電子器件學會教育委員會主席（中國大陸首次）、中國微米納米技術學會理事等。近年來，承擔國家自然科學重點基金、國家重大科技專項、國家公益性行業科研專項、國家重大儀器專項、國家863計劃、國家973計劃等多項國家重要科技項目，做出一系列具有重要國際影響的創新學術成果。主要研究方向為智能微納電子器件、芯片與系統，包括：智能傳感器與智能集成系統，二維納電子器件與芯片，柔性、可穿戴器件與系統，智能信息器件與系統技術等。在國內外重要學術期刊和會議發表重要SCI期刊論文400余篇，國際微電子領域頂級學術會議IEDM論文11篇；獲國內外發明專利70余項，入選2018年愛思唯爾（Elsevier）“中國高被引學者”（微電子領域唯一入選者）。獲2018年電子學會自然科學一等獎，“石墨烯智能人工喉”榮獲科技導報評選的2017“中國十大重大技術進展”，“人工智能微納電子器件”榮獲2017“清華大學十大重大學術成果”，石墨烯“人工喉”在2018年全國科技活動周被評為“最受公眾喜愛項目”，還入選2018年中國國際智能產業博覽會十大“黑科技”創新產品（從1082項創新產品中脫穎而出）。團隊成員有副教授、助理教授、助理研究員等7人。05. 合作方式 技術許可。06. 聯系方式 郵箱：qyc16@mails.tsinghua.edu.cn、liuyi2017@tsinghua.edu.cn

一、所屬類別 基礎、教學科研類實驗設備類；實習實訓設備及配套等。 二、相關專利技術 CN202010106007.7    履帶車底盤、全地形履帶車及全地形行走方法 CN202011613628.0    機器人運動控制方法、裝置、控制器及存儲介質 CN202111261356.7    雙足機器人的運動軌跡規劃方法、裝置、設備及介質 CN202110232263.5    開關機的控制電路及方法 CN202110232355.3    機器人動作模仿方法、裝置、設備及存儲介質 CN202011501534.4    一種舵機的補償控制方法及舵機補償電路 CN202110574796.1    機器人的偏差信息確定方法、裝置、處理設備及介質 CN202011644180.9    機器人抗擾動控制方法、裝置、電子設備及存儲介質 CN202110311455.5    雙足機器人控制方法、裝置以及雙足機器人 CN202011611800.9    質心軌跡的獲取方法、裝置、機器人及存儲介質 三、基本情況 （一）應用對象 應用于機械類、自動化類、電子信息類、計算機類等相關專業人才培養，適用場景包括實驗實訓、教學科研及競賽等，方案以人才培養為目標和課程建設為核心，基于機器人載體，提升人工智能與機器人技術教學科研水平。 （二）核心優勢 核心產品為雙足人形機器人，該系列機器人獲得“小型雙足人形機器人步態算法”創新紀錄，“高韌性強扭矩復合材料舵機”打破國外技術封鎖，核心零部件實現國產化。 其中Aelos小型雙足機器人載STM32、Raspberry Pi-4B雙運算系統，支持二次深度開發，支持多語言開發環境，滿足高校對于編程開發、人工智能應用學習等需求，助力高校在機器人系統結構、步態規劃、運動控制、算法開發、場景應用等方面的實踐學習。 Aelos小型雙足機器人 Roban中型雙足機器人基于ROS應用平臺，搭載深度攝像頭，嵌入V-SLAM視覺算法，可以通過導航技術進行建圖，實現自主路徑規劃和步態規劃，涉及運動控制、計算機視覺、圖像處理、運動規劃等多領域課程，能夠較好地滿足相關專業實驗實訓、研究開發、參加競賽等需求。 Roban中型雙足機器人 （三）商業模式 公司與高校在復合型人才培養、專業建設、課程建設、科研合作、師資培訓、實訓室搭建等方面開展深入合作，相關產品被用于各類學校的實際教學、實踐、實訓。推廣路徑通過各類研討會、展會、大賽和專業渠道商進行拓展。 四、推廣情況 （一）應用案例 1.清華大學 與清華大學電子系合作共建《智能機器人設計實踐》專業限選課，基于人形機器人載體，學習機器人結構原理，圖像識別，路徑規劃，AI芯片等內容。合作入選中國高等教育學會“校企合作雙百計劃”典型案例。 2.哈爾濱工業大學 與哈工大開展人才聯合培養全面合作，雙方在開發校企聯合課程、共建聯合實驗室、共建校外實習實踐基地、共同籌辦BOTEC智能機器人技術挑戰賽等方面進行合作，并入選中國高等教育學會“校企合作雙百計劃”典型案例。 3.南方科技大學 與南科大機器人研究院共建的機器人聯合研究中心，在機器人關鍵核心技術攻關、專業課程建設、人才聯合培養等領域開展合作。雙方共建的基地被廣東省教育廳認定為廣東省聯合培養研究生示范基地。 （二）應用成效 解決了高校人工智能機器人方向的實驗實訓、教學科研、參加競賽等需求，有助于打造高水平、專業化的實踐科研條件。年均支撐高校開展教學科研項目不少于1項，科技競賽不少于2項，協助申報產學合作協同育人項目等。 （三）推廣計劃 高校新增人工智能等新專業成為熱門，傳統工科專業也面臨課程改革要求，因此，通過開展智能機器人設備的應用與實踐，推動相關專業人才的培養與發展，已是大勢所趨。推廣模式包括課程案例展示、以賽促教、舉辦研討會等。

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