仿生学习网络与企业教育责任——访费斯托公司

弗朗泽克接受《装饰》采访

作为费斯托仿生学习网络的研发成果， 费斯托智能飞鸟（Smart Bird）和仿生抓取助手（Bionic Handling Assistant）亮相于在北京中国科学技术馆开幕的第三届艺术与科学国际作品展暨学术研讨会。《装饰》杂志在这次研讨会上采访了海因里希·弗朗泽克博士, 分享用“仿生学习网络”这一新的思路和方法，探索未知、创造未来的成果和经验。作为费斯托集团负责企业传讯的副总裁，海因里希·弗朗泽克博士具有15 年工业企业创新、科技、教育和知识等相关的企业传讯经验，同时担任公司管理董事会顾问，是费斯托仿生学习网络的负责人，全面负责公司在全球的企业传讯工作。其职责范围包括企业美誉度、品牌设计与管理，以及制定相关企业传讯战略。他是德国巴登符腾堡州Cluster Initiative Mechatronics 协会的首任主席，同时也是德国机械设备制造业联合会（VDMA）和德国科学与技术学院（ACATECH）的成员。曾获2010 年德国设计奖之“传讯设计类”奖项。

装饰：请问智能飞鸟项目是从什么时候开始启动的？项目持续了多长的时间？类似的其他项目的持续时间如何？
弗朗泽克：智能飞鸟项目2009 年春天正式启动，前后花费时间共3 年左右。费斯托在过去6 年时间里大约先后有40个项目在进行或是完成。这也是仿生学习网络的特性之一：快速高效。

1-3. 智能飞鸟

智能飞鸟（Smart Bird）项目
智能飞鸟（图1-3）是一种智能生物机电系统，在碳纤维的结构上配置监测元件，在复杂的情况下可以进行自动优化。能如同真正的银鸥那样在空中振翅飞行、展翅滑翔以及盘旋，无需额外的驱动机构，翼展达2 米，总重量仅为450 克，最大程度减少了整体重量。功耗控制在23 瓦左右，用一个手机电池就能够飞行15 分钟时间。躯干和尾翼中安装了飞行控制单元，利用空气动力实现起飞和推进，最与众不同的特性是采用了主动关节式扭转驱动单元与控制系统，使飞鸟翅膀可以主动扭转，翅膀既能推进也能爬升，省却用于高度爬升的设备。经测量表明，智能飞鸟的机电效率系数为45% 左右，空气动力效率系数高达80%，优化利用了空气动力学，是功能集成、高效利用资源和轻量化结构的最佳体现。整体结构在资源和能源消耗方面的高效率，能够为优化自动化行业气缸和阀产品提供动力和启发，是费斯托公司有望转化成为实际应用的未来技术之一，其技术突破能够应用于能源领域的冲程翼发电机以及过程自动化中的驱动器。

装饰：这些类似项目有一个什么样的构思过程？您也可以以智能飞鸟为例。
弗朗泽克：就举智能飞鸟的例子来说，在我们研究飞鸟之前，曾研究过鱼、水母、企鹅等动物的动作。这些动物都是生活在水里，而空气也是一种流体，我们是做气动产品的公司，对空气动力学更加感兴趣。因此我们将模型鱼充上氦气在空气中进行试验，研究他们在空气流体中的运动，分析到很多运行规律，收集到具参考意义的数据。直到有一天，研究人员认为资料已经收集得足够多，可以使鸟儿飞起来了。在研究资料中，有一位科学家在1920 年研究银鸥飞行时得出结论，银鸥飞行时翅膀有前后翻转的动作，而非人们所理解的单纯上下运动。在他的理论基础上我们进行研发，得出智能飞鸟翅膀能够转动的成果。后来，一名负责设计空客飞机机翼的德国航天局退休工程师看到公开发布的飞鸟研发成果，与研发团队联系说可以协助研究，共同成就了智能飞鸟翅膀第三个方向上的运动。这就是仿生学习网络中公开与分享所带来的成就。

4-6. ExoHand ：人与技术的合作
费斯托的ExoHand（仿生手）是一种可像手套一样配戴的外骨骼。通过这一仿生系统，不仅手指可以主动活动，还可以增强手指的力度，收集手的所有动作，并将所有信息实时传输至仿生手上。该设备旨在提高人手的力量和耐力，拓展人类的行动空间，并确保人们即使年事已高也能独立生活。在单调而艰苦的装配作业以及危险环境中的远程操纵过程中佩戴ExoHand 可获得力度支持：通过力反馈系统，操作人员可以感觉到仿生手抓到的东西。这样，操作人员便可在一个安全距离内感觉到物体，无需亲自接触便可移动物体。由于其气动部件的可弯曲性，ExoHand还在服务型机器人方面具有潜力。在中风病人的康复过程中，它现已被用作主动式仿生手。强有力的手，敏感的手指，外骨骼（仿生手）从外部为人手提供支持，同时模仿人手的生理自由度。仿生手由八个双作用气动驱动器驱动，使手指张开和握紧。为此，CoDeSys 兼容控制系统执行非线性调节算法，实现每个指关节的精确运动。同时，通过传感器收集手指的力度、角度和位置等信息。

仿生学习网络
仿生学习网络是费斯托与知名大学、研究所、机构和研发公司共同发起的一个项目，旨在通过仿生学的应用，设计新型的技术平台和产品。自1990 年代起，费斯托就致力于仿生技术研究，向大自然学习提高能效的经验。在费斯托看来，生物演变就是机体结构为适应环境而进行优化的过程。2006 年，仿生学习网络成立，旨在将自然界的能效原理转化成自动化技术和制造工艺，并开发出能效型的仿生机电一体化产品。在仿生学习网络中，来自自然界的原理为技术和工业应用提供了源源不断的发展动力。如今，利用仿生学习网络开发并优化自动化技术已成为费斯托研发工作的重要平台之一，目标包括将自然界中的高效策略转化成自动化技术，测试新技术和制造工艺，开发节能型生物机电产品。

装饰：仿生学习网络的启动灵感来自于哪里？
弗朗泽克：我们是一个家族企业，由股东家族决定企业的重心所在和未来的走向。90 年代的时候，我们的股东认为，作为一个工程企业的费斯托多年来一直以解决技术上的难题作为目标，而在经过长时间的发展之后，到了从另外一个维度去考虑问题的时候，不是只从一个方向去看，而应从横向角度去思考，引入完全不同的观点，从公司外部寻求如何解决技术问题，从大自然当中汲取一些解决问题的灵感与方法。自然界具有无与伦比的效率，生物进化是有机体适应环境的优化策略。将自然界中的这些原理转化成技术工艺和创新过程，从而应用于自动化技术领域中，这是从自然界中汲取灵感的最直接的方式。
弗朗泽克在研讨会主旨演讲中提到，仿生学（Bionic）是生物学（Biology）加上技术（Technology）的合成词，也是这两个领域之间的联系。自然界充满了功能不断优化的过程，在自然中，个体经过物种内和物种间几百万年的竞争，以最小的成本获得最大的效益，也就是更具竞争力。因此关键点在于效率。能源节约可以一方面通过轻量化的结构来实现，轻的骨架所需结构化的原料更少，另一方面通过功能集成来实现，同样一个独立元件集成多个功能可以节约更多能源。另外相互沟通与交换信息也十分重要，这样所有有机体都能够知道哪里有最佳食物资源，从而使群体具有进行优先选择的能力，这种优势被我们吸收到仿生学习网络的分享特性之中。仿生学同时也具有启发性，也可以用到公司的创造过程中：当工程师遇到技术问题时，能把一些动物行为和要素转化成为技术，寻找未来的解决方案。使工程师拓宽眼界，不断创新，突破技术问题的局限。仿生学习网络的概念，就是以从自然当中学习的理念为基础，建立起一个学习平台，综合生物多样性技术和各个工业行业包括软件等调节技术，解决能效问题。

装饰：费斯托公司选择了智能飞鸟来参加艺术与科学展，飞鸟与公司的其他科研成果相比较有何特殊之处？
弗朗泽克：费斯托从银鸥获取灵感，成功破解鸟类飞翔的秘密，创造了智能飞鸟。从这个意义上来说，智能飞鸟可以说是最特别的项目，因为展翅飞翔是人类最古老的梦想之一，人类几千年以来一直向往像鸟儿一样飞翔。从另一方面来说，这些成果是无法被比较的，每个项目都令人惊叹。比如同时来参加展览的抓取助手，是通过研究鱼的尾鳍碰到障碍物时的反应速度，破解了鱼尾的功能，研发出可以像手一样慢慢握住、裹住物体的柔性爪尖，而不是像容易产生破坏效果的机械夹子一样。三个爪尖加在一起，可以根据物体的轮廓自行调整，拿起任何形状的东西。这就是我们所说的仿生学习，观察大自然来寻找自然中的解决方法，从自然中学到灵活性与柔性，根据自然中的形状规则建模，促成自然与技术的整合。这一爪尖目前已经实现量产，实现了在机械加工过程中，仅用同一个部件来适应不同场合。

7-11. 仿生抓取助手

仿生抓取助手
仿生抓取助手（图7-11）是以大象鼻子为原型研发的柔性辅助系统。由轻质塑料制成，重量只有1.5kg，由压缩空气驱动，使用智能控制技术进行调节。链接非常灵活，能够延展和换角度控制。其结构弹性能保证人机之间安全而直接的接触，能安全地抓取易碎的和不规则形状的工件或货物，替代人进行一些危险的工作。为开发人机互动的新方法指明了方向。手臂部分的灵感源自大象鼻子，爪尖的灵感来自于鱼的尾鳍。手臂具有十一个自由度，可以根据特定任务进行尺度调整。由于可以确保人机安全操作，仿生抓取助手适用于农业、家政服务、教育机构、医药工程和医疗康复中残疾人的辅助设备，也可作为工业生产过程中的操作系统组装辅助设备。曾获“2010 年德国未来奖（Deutscher Zukunftspreis）”。在2011 年9 月被慕尼黑的德意志博物馆列为永久性展品，常年展出。自适应气爪DHDG 经过不断优化已经成为从未来理念转化为批量生产的第一款产品，获得“2012 年iF 金奖”和“2012 年红点奖”。最新的仿生助手3.0 版添加了语言和图像识别功能，抓取模块中的微型相机将工作空间记录下来，随后检测目标物体，并进行跟踪，最后在恰当的时间发出抓取命令，独立抓取物体，无需编程或手动操作。

装饰：我们在设计领域也常常听到“仿生”的概念。请问费斯托从一个科技公司的角度来看“仿生”，与设计领域的区别在什么地方？
弗朗泽克：当我们深入观察自然的时候，我们从自然中获得的是一种灵感、一种激情，而不是借鉴和复制它的外形。自然是完美的，我们没法复制它。例如参加展览的抓取助手的灵感来源于大象鼻子，经过我们的分析，大象鼻子有40 万块肌肉，要拷贝具有40 万块肌肉的原型是不可能的，我们看到大象鼻子全方位运动的灵活性，同时我们的自动化传输线上有很多各个方向的抓取需要，所以我们学习它的灵活性。以象鼻形式存在的抓取助手目前虽然没有实际的应用场合，但对我们的柔性机器人则有非常好的借鉴价值。

12. 仿生水母

13-15. CogniGame ：用思想来操控的现实游戏场。CogniGame 是对20 世纪70 年代进入市场的视频游戏Pong（乒乓球）的新诠释。就像打乒乓一样，运动员借助一个操纵杆使拍子在屏幕上上下移动，将球击回对方。研发人员将虚幻的CogniGame 游戏变成了现实的由费斯托部件建造的游戏场。工程师用两个直线轴的驱动装置沿着基线左右移动，带动球拍接球，将球击回对手。在游戏中，运动员借助脑机接口（BCI） 仅仅通过自己思想的力量来掌控他的球拍。他对面还有一个运动员，通过肌肉的力量控制一个摇柄来移动他的球拍。这是人机互动的新操作理念。费斯托专为游戏开发的CogniWare 软件在脑机接口与游戏之间建立了一个通道。该解决方案简化了使用者与硬件之间的接口，从而创造出人机互动的新的操作理念，它同样适合于工业领域。

仿生水母
费斯托的仿生水母是一种能自主控制的人造水母（图12），采用了电缸和智能自适应机械系统，可实现集体行为。每一个水母根据自己的状态（例如电量、驱动器的位置）以及与其他水母之间的距离而自行决定如何运动。仿生水母由一个透明的半球和八条推进用的触手组成，身体采用激光烧结工艺，能防水。体内安装了一个中央电机、两块锂电池、充电控制单元以及旋转斜盘的伺服马达，通过自主控制提高能效。

装饰：在具体研发项目的选择上，是由家族负责人决定还是由专门聘请的专家来协助确定？
弗朗泽克：家族负责人任命我作为整个集团“未来理念”部门负责人，这是一个归属于集团内部的机构，核心成员包括工业设计、计算机软件、生物学等各种交叉学科专家的团队。在集团内部和“未来理念”部门自身产生想法的同时，也请高校等专家加入项目的讨论。与此同时，由于这个组织已经有了一定的知名度，外界的专家或研究机构也会带着想法来到小组寻求讨论，最初的想法来源主要是这样两方面，这被称作从里到外或从外到里等方式。核心小组和相关人士及带着想法来的人和被邀请来的人一起进行讨论，决定哪些想法是可行的，可以进行进一步的研究。因为这些学科的交叉性和多样性，所以这些项目通常是做得很快的，智能飞鸟已经是一个非常慢的项目，其他类似于智能飞鸟的项目通常只需要一年时间。一旦我们有了初步成效之后，我们并不把所取得的成果作为商业机密藏起来，而是把它公开，邀请更多的有识之士加入进来，加以优化，因此越来越多人才和想法的加入使项目推进越来越快。

装饰：听起来像一种我们称作“设计孵化”的形式，说到培训与教育，接下来请您介绍一下“企业教育责任”的来龙去脉。
弗朗泽克：费斯托的业务主营有两大块，一块是被外界了解的自动化技术方向，另一个方向在教育和培训上。被认为是德国气动技术之父的家族企业第二代传人1955 年从美国把气动技术带到德国之时进行了很多培训活动，使德国认识到什么是气动技术，因此从五十年代到现在，我们是技术培训和技术教育市场的领袖。1985 年开始在中国进行技术培训，当时是投资给高校，投资实验室器材。当时就与清华大学有合作。教育一直是集团非常重要的内容，培训教育对员工来说也是非常重要的要素，我们提出“可雇用力”的专有名词，意思是大学毕业之后并不意味着学习从此结束，而是将学习变成每天的工作之一，每天学习才能让你成为一个可雇用的人。公司认为，既然我雇用了你就要培养你，而你也应让公司认为你有仍然可以继续被雇用的能力。仿生学习网络本身也是学习的一种过程，但它只是我们科研和学习的一个维度，另外一个非常重要的是我们要将日常研发工作作为员工日常生活和培训的一部分，形成交叉式和网格式的发展模式。除了提供学习的机会，公司也进行了大量投入，公司大约1.5% 的销售额放在员工的培训上。在教育和培训上我们有多种不同的操作方式，目前比较成熟的是公开课，已经可以在全球用40 种语言，在200 多个行业进行不同方向的技术培训。

在中国，费斯托在自身擅长的自动化技术领域与国内五所知名学保持着长期合作。具体包括设立奖学金、资助学科人才培养和发展、投资基础设施、帮助提升专业研究课程和初步应用研究能力等。费斯托济南培训中心从2011 年开始着手引进德国成功的双元制教育经验，培养熟练的技术工人。

16-18. 声音设备2.0 ：艺术的人机互动。
声音设备2.0 是一种机器人控制的智能声音装置，它包括五台可自行演奏的乐器；它能记录弹奏过的旋律，然后用它谱写一段新的乐曲并现场演奏。这些乐器能相互“倾听”，通过适当的控制算法、数学模型和通信接口将它们连接到一起。声学机器人的功能像真正的弦乐乐器一样，但是区别在于每个弦乐乐器只有一根弦。气动缸移动鼓槌使弦振动，就像弦乐演奏者的弓一样。一个电驱动装置沿着弦平行移动。该装置模拟音乐家左手的机械运动，通过改变弦的长度决定音调的高低。声音设备装有费斯托的DGE 电驱动装置，并与CPX 进行了功能整合，为现代化工厂的系统优化和流程自动化设计奠定了基础。费斯托遵循的理念是，在未来工厂中开发一种分散式、相互联网的自动化解决方案，整个系统的行为准则按照进化论规则设计，一个群体的行为模式可自主确定，并可独立作出决定，无需受人的因素的直接影响。

19. Festo Didactic

20. 公司总部及技术中心

企业教育责任
在教育领域履行企业社会责任是费斯托理念中一个独特的元素，教育不仅仅是政府的责任，企业也必须作出应有的贡献。作为一家学习型的公司，费斯托在吸引更多有技能的员工加入公司的同时也为员工提供足够的支持，让员工与公司共同发展。这包括为不同的员工量身定制不同的培训项目，用来提升员工的知识和技能、领导力、个人卓越表现以及在国际化环境中的工作经验。除了前沿科技，基础动手能力的培训教育也非常重要，并不是每人生来都要做工程师，技师也有很重要的社会位置。因此培训是呈梯队的。初级操作工，高校的实验室、工程师，进入公司之后的组长、负责人，对不同层次的员工有不同层次的培训，使公司成为学习型的组织，让员工将学习作为每天工作的一部分内容。珍惜人才、为人才投资，以此促进企业的成长和个人的发展，这种融会贯通到了整个公司团体中的理念就是企业教育责任。

装饰：公司用在教育上投资与研发占公司资金运转的比例如何？
弗朗泽克：我们是家族企业，因此负责人决定如何处理资金，上世纪90 年代进行仿生网络的开发就是负责人来决定的。家族本身确保了它的运作和资金的来源。因此不会逼迫工程师做出什么样的东西和一定要在多长时间内量产，而是着眼于未来，以10 年、15 年、20 年作为技术发展前瞻性的考虑。作为一个工业和大学教育培训的合作伙伴，费斯托也提供了广泛的技术学习系统，Festo Didactic 是全球工业领域教育设备和解决方案的市场领袖之一。它设计并建造培训实验室、教育设施和开发课程来培训人才，使得他们能适应快速变化且复杂的工业环境。Festo Didactic 的目标是在全球范围的教育机构和工业企业中获得最大学习成效。目前一共有超过36000个实验室遍布全球，同时提供40 种语言的研讨会，每年参与的人数达到42000 人。费斯托人力资源总裁Alfred Goll 说：“中国有着全球最大的国内市场、最高工业产值和最大的汽车市场——因此未来也将成为全球最大的自动化技术市场。凭借我们的产品、项目工程师和工程支持专家，费斯托拉近与市场和客户的距离，在增长最迅速的市场上满足客户需求，并根据本地要求提供完美的定制产品和服务。”

装饰：我们在艺术与科学研讨会上相识，一定要探讨一下对艺术与科学的认识。作为一个科技与制造为主导的公司，艺术在公司内处于什么位置？
弗朗泽克：方才我们介绍了Festo 在技术与科学方面的很多突破，实际上在艺术方面我们也已经做了很多尝试。已经取得的很多突破都是科技与艺术结合在一起的。很遗憾这次不能有更多的展示。几百年前，艺术与科学是不分家的，如意大利最有名的艺术家达·芬奇，就是艺术家与科学家集于一体的人物。后来随着社会的发展，艺术与科学慢慢分离开来。在奥地利的“奥兰多”歌剧演出中，费斯托做了一条银色的纯钢的龙为布景配合演出。像这种艺术与科技结合在一起的例子，也正是我们想要的。另外我们的机器人艺术家“声音设备2.0”（图16-18）项目，经过输入程序而作曲，在看不到有人演奏的情况下能出现美妙的音乐，这是多么神奇的时刻。科技并不是冷冰冰的，它能够和艺术完美地结合在一起。