《1    工程研究前沿》

1    工程研究前沿

《1.1    Top 10 工程研究前沿发展态势》

1.1    Top 10 工程研究前沿发展态势

机械与运载工程领域 Top 10 工程研究热点涉及机械工程、船舶与海洋工程、航空宇航科学技术、兵器科学与技术、动力及电气设备工程与技术、交通运输工程等学科方向（见表 1.1.1）。其中， 属于深化传统研究的包括柔性内窥镜微创手术机器人、机器人化增材制造、准零刚度隔振方法、无人载具轨迹精确跟踪控制、混合可再生能源发电；属于新兴前沿的包括水下无人航行器、仿昆虫微型扑翼飞行器、折纸超材料、飞行器数字孪生技术、基于深度学习的城市交通流量智能预测方法。

2015—2020 年，各前沿相关的核心论文发表情况见表 1.1.2。无人载具轨迹精确跟踪控制、飞行器数字孪生技术是论文发表增速最明显的方向。

（1）柔性内窥镜微创手术机器人

柔性内窥镜微创手术是将手术器械沿人体细长狭窄、弯曲多变的解剖路径送至病变位置，进行灵巧探查，并能够实现复杂和精细的操作。柔性内窥镜技术经历了内镜探查、内镜操作平台、机器人辅助内镜微创手术系统三个阶段。相关研究主要分为三个方面：一是微创手术器械设计方法研究，探究连续体手术器械的运动与变形机理，开发具备刚柔并济功能的多类型手术器械；二是多模态传感单元设计与集成，重点研究本体高精度感知单元、感知单元跨模量集成以及视觉引导技术；三是运动协同控制策略，实现人体腔内环境下基于多模态信息融合的系统运动协同控制策略，为柔性手术器械在手术过程中的灵巧运动与稳定操作提供理论依据。柔性内窥镜微创手术机器人以其高灵活性与柔顺适应性等优势，可较好地适应狭窄腔道弯曲复杂的解剖结构约束，代表现代微创外科“无疤痕”的发展趋

《表 1.1.1》

表 1.1.1    机械与运载工程领域 Top 10 工程研究前沿

序号 工程研究前沿 核心论文数 被引频次 篇均被引频次 平均出版年
1 柔性内窥镜微创手术机器人 10 631 63.1 2016.1
2 水下无人航行器 5 353 70.6 2020
3 仿昆虫微型扑翼飞行器 6 104 17.33 2016.2
4 机器人化增材制造 10 362 36.2 2016.5
5 准零刚度隔振方法 25 828 33.12 2017.7
6 折纸超材料 8 239 29.88 2017.1
7 无人载具轨迹精确跟踪控制 24 760 31.67 2018.8
8 飞行器数字孪生技术 15 1 212 80.8 2018.3
9 混合可再生能源发电 15 839 55.93 2017.5
10 基于深度学习的城市交通流量智能预测方法 11 2 345 213.18 2018

《表 1.1.2》

表 1.1.2 机械与运载工程领域 Top 10 工程研究前沿逐年核心论文发表数

序号 工程研究前沿 2015 年 2016 年 2017 年 2018 年 2019 年 2020 年
1 柔性内窥镜微创手术机器人 5 2 1 1 1 0
2 水下无人航行器 0 0 0 0 0 5
3 仿昆虫微型扑翼飞行器 1 4 0 1 0 0
4 机器人化增材制造 4 2 1 1 2 0
5 准零刚度隔振方法 5 1 6 2 7 4
6 折纸超材料 2 1 1 2 2 0
7 无人载具轨迹精确跟踪控制 1 1 2 2 10 8
8 飞行器数字孪生技术 0 0 3 5 6 1
9 混合可再生能源发电 0 3 6 2 3 1
10 基于深度学习的城市交通流量智能预测方法 2 0 2 1 4 2

势，在多种类型的人体腔道疾病诊断与早癌诊治一体化中具有广泛的应用前景。

（2）    水下无人航行器

水下无人航行器是一种可在水下移动、具有视觉和感知系统、通过遥控或自主操作方式使用机械手包括其他工具代替或辅助人去完成某些水下作业的装置。水下无人航行器研究涉及船舶与海洋工程、计算机、控制、材料和人工智能等多学科交叉融合，是归于高端制造业的一类特种装备。水下无人航行器及其产业链属于海洋强国建设的战略型新兴产业，在海洋科学研究、海洋资源调查和海洋安全防务等方面展示了良好的应用前景。水下无人航行器主要研究方向包括总体设计、结构外形、能源推进、电气控制、导航定位、路径规划、运动控制、应急安全、布放回收、集群编队等。近年来，面向国家发展深远海的重大需求，中国科研人员在理论与应用层面陆续突破了深水航行器总体设计、结构外形优化、机电一体化集成、水声定位导航、自主路径规划以及底层运动控制等关键技术，具备了满足一定工程应用需求的中小型水下无人航行器研制能力（如“潜龙”系列和“海斗”号遥控 / 自主水下机器人、“海翼”号和“海燕”号水下滑翔机）。但面临复杂多变的海洋环境、精细作业任务、多样化作业需求，水下无人航行器仍面临较多挑战， 包括水下无人航行器的大型化与智能化、路径规划与自抗扰运动控制、集群编队、水下即时定位与建图、水下探测与目标识别、水下能源补给与无线通信、仿真软体水下机器人、作业型水下航行器等。这些方向将是水下无人航行器技术持续关注的前沿热点。大力开展这些方向的基础科学研究，将有望进一步加强中国高端海洋装备领域科技自立自强与技术自主可控。

（3）    仿昆虫微型扑翼飞行器

仿昆虫微型扑翼飞行器是一种模仿昆虫飞行的新型无人飞行器。该飞行器通过模拟昆虫身体构造、运动方式和飞行机理，结合仿生学与系统工程的设计思想，实现飞行器高效的飞行、机动能力。相关研究包括四个方面：一是高效率扑翼设计，分析昆虫形态及运动参数对扑翼气动性能的作用规律，揭示仿昆虫飞行的非定常气动机理，建立形态结构与气动耦合作用的微型扑翼参数化建模及优化设计方法；二是高效微型动力 / 能源系统，开发新型能源电池，设计智能化能源管理策略，实现高效率、轻量化、高稳定性能源系统，研制压电、人工肌肉等各类驱 / 传动方式的微型机构，实现高效比的驱动传动功能；三是高集成度轻量化航电系统，开发面向声、光、电、磁、热等多源环境信息的微机电系统（MEMS）基微型智能化任务载荷，设计飞行多源扰动与非线性特征耦合的高性能智能飞行学习策略及控制系统，设计具有远距离、低功耗等特征的高效比机载 / 地面信息通信系统，研制任务载荷、信息通信系统与飞行控制系统一体化的芯片级柔性制备工艺，实现微型航电系统高密度轻量化集成； 四是仿生飞行器整机集成与实验平台，研究多学科交叉融合的系统级仿生集成建模方法，开发适用于仿昆虫微型飞行器的综合实验测试平台与数据采集分析系统。随着仿生学、非定常空气动力学、微机电系统、柔性材料、控制理论与人工智能等技术的发展，仿昆虫扑翼飞行器的微型化、轻量化以及群智化已成为当前研究热点。

（4）    机器人化增材制造

随着增材制造对象的多样化与复杂化，传统的三轴直角坐标或龙门式增材制造装备受限于作业空间、自由度以及严格的逐层制造工艺，无法满足制造质量、效率以及成本的需求。机器人化增材制造是增材制造的未来发展趋势。将高度灵活的机器人技术与增材制造技术相结合，为多轴增材制造以及非结构环境中制造复杂的几何形状提供了可能，已成为领域研究热点。机器人化增材制造的主要研究方向包括：多方向增材制造，利用机器人多自由度实现多方向打印；保型沉积，旨在采用机器人顺应实现曲面共形制造；预制件装配，利用机器人灵巧性实现复杂预制件的嵌入；无支撑的增材制造，利用机器人的灵巧性避免费时费料的支撑结构打印； 大范围增材制造，利用机器人的大工作空间实现大尺度的增材制造。下一代的机器人化增材制造将在以下方向实现突破：采用机器人灵活的切换制造工具，实现多材料混合制造；利用机器人的可达性兼顾大尺度与小细节，实现具有微细结构的超大尺寸构件原位制造；突破机器人自身的精度极限，实现高精度增材制造；利用多机协同技术提升制造效率， 实现高效率增材制造；突破微型机器人技术，以此为基础实现极小尺度的构件增材制造。

（5）    准零刚度隔振方法

随着超精密制造与测量、空天探测、运载与武器装备等向极端工况或极限性能发展，其环境振动复杂且低频突出，必须实现超低频隔振，这就要求隔振固有频率近零，也即刚度近零，这是传统隔振方法无法做到的。准零刚度隔振方法通过使隔振器兼具大承载力和近零刚度来实现近零振动传递。它的最主要思路是引入负刚度机构来抵消弹性元件的正刚度，主要实现途径包括被动式和主动式两类。被动式如机械负刚度、磁负刚度等。机械负刚度原理简单，但其非线性和接触摩擦突出，工作域小， 性能有限。磁负刚度利用特定排布的磁体使产生的非接触作用力表现出负刚度特性，是实现准零刚度隔振的好方法。如何通过磁体的结构和阵列优化来提高磁负刚度的体积密度、线性度和工作域，是研究的重点。主动式负刚度基于位移反馈使振动控制力表现出负刚度特性，但若传感器和作动器的精度足够，则负刚度特性精准可控，理论上可获得最佳的准零刚度效果，是准零刚度隔振的重要研究方向。准零刚度隔振方法的另一种实现思路是，将精密位移伺服机构与超低（或准零）刚度隔振器串联，采用随动伺服控制使系统综合刚度呈量级地缩小，且可大幅拓展工作域，这是一种有潜力的发展方向。

（6）    折纸超材料

超材料所具有的自然材料不具备的超常物理性能是由其内部微结构的几何拓扑与基础材料的性质共同决定的。近几年出现了由折纸结构作为基本胞元的各种功能超材料。无论是连续型折纸结构，还是模块化折纸结构，都为超材料提供了丰富的三维几何表面与内部拓扑，使其在电磁、波动、传热、力学性能等方面表现出多样的超常特性。与此同时， 折纸结构的折叠、运动、变形能力为超材料性能的大范围变化提供了可能，促使其研究前沿从基于固定拓扑几何结构定性地设计某种特殊物理性能，发展到在使用过程中通过拓扑的主动或被动变化对其性能进行编程调控。为此，研究核心集中在建立超材料物理性能及其调控需求与结构胞元、整体构型及其形变的本质关联，进而将折纸超材料的研究趋势拓展到以下三个层级：首先，从已知折纸胞元形变模式对超材料性能进行正向分析，转化到从性能需求出发对超材料的折纸胞元进行逆向设计；其次， 结合驱动材料、边界载荷、工作物理场等，对超材料的变形进行精准控制，以满足各种工况下物理性能的调控需求；再次，将对应不同物理性能的折纸胞元与基础材料统一分布在同一个超材料拓扑结构中，从而获得同时具有多种可调控超常物理性能的超级超材料。这类由需求出发设计的折纸超材料研究具有理论开创性、多学科融合性和工程实用性， 正逐渐成为超材料领域研究热点之一。

（7）    无人载具轨迹精确跟踪控制

对期望轨迹的精确跟踪控制是保障无人载具自主行驶安全性、稳定性与舒适性的关键技术。传统方法多基于静态线性模型与大量人工调参，包括 PID 控制、前馈反馈控制、最优控制等，这些方法能够在设计工况下稳定运行，但其对工况与模型参数变化较为敏感，难以主动适应动态变化的环境和运载平台非线性特性。针对高速动态场景，综合考虑不确定性、模型泛化性与工况自适应性的控制算法是目前实现全工况轨迹精确跟踪控制的主要研究方向，例如基于模型学习或参数优化的模型预测控制、智能控制等。由于动力学模型高度非线性且参数较多，基于模型的方法既需要在模型保真度与算法实时性间进行平衡与取舍，也需要根据工况变化对模型参数进行动态调整，对此可以通过结合自适应控制、智能控制与最优控制等多种方法构建混合控制策略从而实现两方面的需求。此外，由于机器学习能够利用离线经验学习与拟合复杂非线性模型，结合机器学习方法进行模型参数识别与参数在线更新对于降低算法调参难度、提升模型自适应能力、提高控制精度有着重要意义。同时，基于直接模型学习的近似最优控制、端对端神经网络控制，以及可持续策略学习等无模型的智能控制方法由于较强的自更新、自适应、与场景泛化能力也成为近年的重要研究方向之一。

（8）    飞行器数字孪生技术

飞行器数字孪生是将数字孪生技术与飞行器的关键特征、关键环节、关键场景紧密结合，基于高保真模型以及历史与实时数据对物理飞行器进行刻画、模拟、监测，并利用云计算、大数据、人工智能等技术对飞行器进行分析、评估、预测、优化， 从而提升飞行器设计效率、监控飞行器运行状态、降低飞行器运维成本、延长飞行器使用寿命。相关研究主要分为四方面：一是高保真的飞行器模型构建，充分考虑各学科、各领域间的耦合关系，使结构、气动、控制等多领域模型融合，以精确刻画飞行器的属性特征；二是飞行器数据的全面感知与处理，根据实际对象与实际需求布置传感器，获取结构状态与载荷变化等飞行器本身信息以及温度、湿度、电磁辐射等环境信息，通过对来自物理空间的数据与虚拟空间的数据融合分析处理，从海量异构时变动态数据中挖掘出丰富的价值，为飞行器的故障诊断、寿命预测等方面提供支持；三是虚实交互一致性评估，通过虚实映射、数模联动、交互控制以保证飞行器数字孪生模型与物理飞行器真实运行状态保持一致；四是飞行器数字孪生精准服务构建， 飞行器数字孪生在飞行器的高效设计、虚拟测试与验证、状态实时监控、剩余寿命预测、维护策略优化等方面提供更加优质可靠的服务。未来，飞行器数字孪生将向构建真实模型、获取全面数据、建立实时交互、提供便捷服务的方向不断发展与迈进。

（9）    混合可再生能源发电

混合可再生能源发电指包括两种或者两种以上的分布式可再生能源（风能、太阳能、潮汐能、地热能等）发电电源、能量储存系统以及各种电力电子控制装置的发电方式。混合可再生发电系统电能输出更加稳定、可靠、持续，其各分布式系统共享电网连接，从而降低成本。为了使多能互补效益最大化，针对性的容量优化、系统设计与规划是当前混合可再生能源系统的研究热点。尤其是构建综合性的数学抽象模型，研究多能互补性的表达范式， 建立全面、通用、规范的互补性描述等，是其发展不可或缺的关键。现阶段重点应当解决不同可再生能源发电电流的融合问题，部署地理位置选择问题， 可再生能源发电系统的随机性模拟、设备类型选择、更全面的系统建模和高效的寻优算法问题，为混合可再生能源系统的优化深度提升提供新的着力点。

（10）    基于深度学习的城市交通流量智能预测方法

城市交通流量预测作为智能交通系统的关键使能技术，可为智能出行和动态交通规划提供技术支撑，以缓解道路交通拥堵和方便人们出行，形成智能交通系统的创新型服务。当前城市交通流量预测尚未形成完整的技术体系，存在较多难题需要克服， 主要体现在：① 道路交通流量数据巨大、信息丰富，具时空复杂性、异质性和稀疏性，难以充分利用；② 目前尚缺乏高效的数据驱动预测模型、方法和技术。当前交通流量的智能预测技术主要包括长期预测（时间序列分析）技术以及短期预测（动态实时交通预测）技术，出现了许多基于深度学习技术开展交通流量预测的研究成果：① 深度学习模型方面成果包括时间图卷积神经网络（T-GCN）、时空融合图深度神经网络、扩散卷积循环神经网络（RNN）、多分枝预测模型等；② 深度学习框架方面成果包括时空多任务学习框架、双向长短期记忆（LSTM）人工神经网络、时间信息增强LSTM 等；
③ 为进一步提高预测能力，还出现了混合深度学习，包括：堆栈式学习者 + 全连接网络（FCN）、混合卷积神经网络（CNN）+RNN+ 注意力机制等。可见，本热点研究得到了研究人员的广泛关注，未来研究将在交通数据时空关系分析、长短期预测技术集成、新型深度学习模型、特定交通场景创新服务等方面展开。

《1.2    Top 3 工程研究前沿重点解读》

1.2    Top 3 工程研究前沿重点解读

1.2.1    柔性内窥镜微创手术机器人

癌症已成为威胁人类健康的主要杀手，中国癌症发病与死亡数量均居全球第一。其中呼吸道、消化道癌症的发病率与死亡率较高，占全部癌症发病率与死亡率的 50% 以上。因空气环境及饮食习惯的影响，中国消化道、呼吸道癌症患病率尤其高， 约占全球 50%。相较于传统刚性内镜尺寸大与在狭窄腔道操作困难的缺陷，柔性内窥镜微创手术机器人以其高灵活性与柔顺适应性等优势，被广泛用于经消化系统（食道、胃和结直肠）、经呼吸道（支气管）与经泌尿生殖系统（阴道、尿道与膀胱）等人体自然腔道疾病诊断与癌症治疗，为多种类型的人体腔道的早癌诊治一体化提供强有力的支撑。特别是近年来不断涌现的多模态（图像、超声、分子影像学等）、跨尺度（从厘米级别到分子级别）新型内镜技术，使人体腔道疾病探查与检测更精准、诊断更及时、治疗更趋微创化，代表现代微创外科“无疤痕”的发展趋势。

国内外研究机构针对面向人体自然腔道癌症治疗的柔性内镜机器人技术展开广泛研究，并经历了内镜探查、内镜操作平台、机器人辅助内镜微创手术机器人系统三个发展阶段。当前相关研究主要有以下三个方面：在微创手术器械设计理论方面，探究连续体手术器械的运动与变形机理，建立柔性手术器械运动学与力学模型，研究变刚度机理与刚柔转化机制，实现材料 – 结构 – 变刚度一体化设计， 归纳与总结微创手术器械设计方法；在多模态传感单元设计与集成方面，研究局部触感单元设计、本体形状感知传感器设计、高精度感知单元跨模量集成、多类型影像融合与视觉引导技术四个方面，实现宏微结合与视触觉融合；在运动协同控制策略方面，实现人体腔内环境下基于多模态信息融合的系统运动协同控制策略，将动态前馈控制器与反馈有机结合，实现运动与刚度协同控制，为柔性手术器械在手术过程中的灵巧运动与稳定操作提供理论依据。柔性内窥镜微创手术机器人作为手术机器人领域的下一个难点和制高点，是实现多种类型的狭窄腔道早癌诊治一体化的技术支撑，满足微创手术安全接触、柔性可达、刚性操作、精准控制的实际需求，为探索内外科融合一体的新型手术模式提供了必要的实现工具和技术手段。研制可用于狭窄腔道的柔性内窥镜微创手术机器人，可提高中国在柔性内镜机器人领域的自主技术水平，推进狭窄腔道手术的普及应用，使中国在国际高端医疗装备的研发领域占据重要地位。

“柔性内窥镜微创手术机器人”工程研究前沿中，核心论文发表量靠前的国家是新加坡、中国， 篇均被引频次靠前的国家是德国、美国（见表1.2.1）。在发文量前六位的国家中，中国与新加坡合作较多（见图1.2.1）。核心论文发文量方面，香港中文大学、新加坡国立大学、南洋理工大学具有优势，篇均被引频次排在前列的机构是卡内基梅隆大学、汉诺威大学、田纳西大学（见表 1.2.2）。在发文量前十位的机构中，新加坡国立大学和香港中文大学合作较多（见图 1.2.2）。施引核心论文的主要产出国家是中国、美国（见表 1.2.3），施引核心论文的主要产出机构是香港中文大学、新加坡国立大学、哈尔滨工业大学（见表 1.2.4）。

1.2.2    水下无人航行器

水下无人航行器是探索海洋的重要手段。为了开发利用海洋资源，国际上早在 20 世纪 50 年代便开始了无人水下航行器研制。进入 20 世纪 70 年代， 无人水下航行器通过遥控方式开始应用于搜寻失事

《表 1.2.1》

表 1.2.1 “柔性内窥镜微创手术机器人”工程研究前沿中核心论文的主要产出国家

序号 国家 核心论文数 论文比例 被引频次 篇均被引频次 平均出版年
1 新加坡 8 80.00% 261 32.62 2016.4
2 中国 5 50.00% 221 44.2 2015.8
3 德国 1 10.00% 307 307 2015
4 美国 1 10.00% 307 307 2015
5 澳大利亚 1 10.00% 56 56 2017
6 英国 1 10.00% 43 43 2015

《表 1.2.2》

表 1.2.2 “柔性内窥镜微创手术机器人”工程研究前沿中核心论文的主要产出机构

序号 机构 核心论文数 论文比例 被引频次 篇均被引频次 平均出版年
1 香港中文大学 4 40.00% 158 39.5 2016
2 新加坡国立大学 4 40.00% 158 39.5 2016
3 南洋理工大学 4 40.00% 103 25.75 2016.8
4 卡内基梅隆大学 1 10.00% 307 307 2015
5 汉诺威大学 1 10.00% 307 307 2015
6 田纳西大学 1 10.00% 307 307 2015
7 上海交通大学 1 10.00% 63 63 2015
8 昆士兰科技大学 1 10.00% 56 56 2017
9 纽卡斯尔大学 1 10.00% 43 43 2015
10 纽卡斯尔大学新加坡分校 1 10.00% 37 37 2015

《图 1.2.1》

图 1.2.1 “柔性内窥镜微创手术机器人”工程研究前沿主要国家间的合作网络

潜艇、反水雷等军事任务。21 世纪以来，随着计算机、组合导航、声学通信等技术发展，无人水下航行器的自主能力提高，工业应用逐步成熟，逐渐在民用和军用领域发挥更重要的作用。例如，美国国防部自 2000 年以来先后发布了 6 份无人航行器发展路线图，充分肯定了水下无人航行器的重要军事价值， 并提出要加强对大型无人水下航行器、特种作战航行器、水下分布式网络等关键技术的攻关。欧洲防务局也发布了《海上无人系统方法与协调路线图》， 提出协调欧洲各国力量，共同促进无人水下航行器技术发展。

《图 1.2.2》

图 1.2.2 “柔性内窥镜微创手术机器人”工程研究前沿主要机构间的合作网络

《表 1.2.3 》

表 1.2.3 “柔性内窥镜微创手术机器人”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出国家

序号 国家 施引核心论文数 施引核心论文比例 平均施引年
1 中国 191 32.93% 2018.5
2 美国 101 17.41% 2018.3
3 英国 64 11.03% 2018.5
4 新加坡 60 10.34% 2017.5
5 德国 41 7.07% 2018.3
6 韩国 27 4.66% 2019.2
7 日本 24 4.14% 2018.4
8 法国 21 3.62% 2018.3
9 意大利 20 3.45% 2018.3
10 澳大利亚 18 3.10% 2018.2

《表 1.2.4》

表 1.2.4 “柔性内窥镜微创手术机器人”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出机构

序号 机构 施引核心论文数 施引核心论文比例 平均施引年
1 香港中文大学 38 13.87% 2018.2
2 新加坡国立大学 35 12.77% 2017.7
3 哈尔滨工业大学 33 12.04% 2018.4
4 上海交通大学 29 10.58% 2018.4
5 南洋理工大学 27 9.85% 2017.3
6 克莱姆森大学 21 7.66% 2018.4
7 伦敦帝国理工学院 20 7.30% 2018.5
8 范德堡大学 19 6.93% 2018.2
9 伦敦国王学院 18 6.57% 2018.3
10 汉诺威大学 18 6.57% 2017.7

无人水下航行器是一种高效率、低成本、强隐身的水下运载平台。因此，近年来，无人水下航行器已在海洋资源勘探、海底地形地貌考察、海洋情报监视侦察、水中反潜与反水雷等领域取得一定应用成效。但是面向复杂海洋环境与多样化作业任务，无人水下航行器仍有待突破一批关键技术。当前国内外学者的主要研究方向可以划分为如下六个方面：

1)    规划与控制：单个无人水下航行器的不确定和扰动补偿控制，以及多个无人水下航行器的协同路径规划与集群编队控制。

2)    作业工具控制：无人水下航行器与机械臂的协同控制策略，包括神经网络控制、模糊自适应控制、模型预测控制等。

3)    手艇耦合：无人水下航行器与机械臂耦合动力学建模、冗余自由度运动规划、软体机械臂 / 爪设计与鲁棒控制等。

4)    感知与识别：无人水下航行器的环境态势感知，包括水下即时定位与建图、水下目标探测与识别等。

5)    能源与通信：高能量密度锂电池，氢能， 水下对接充电；网络和导航技术，水下光学无线通信等。

6)    新概念水下航行器设计与建模：仿生机器人，软体机器人。

“水下无人航行器”工程研究前沿中，核心论文发表量排在前列的国家是中国，篇均被引频次排在前列的国家是日本、新西兰、中国（见表 1.2.5）。在发文量前六位的国家中，中国和日本、新西兰、澳大利亚与沙特阿拉伯合作较多，澳大利亚与沙特阿拉伯合作较多（见图 1.2.3）。核心论文发文量排在前列的机构是南京大学、南京信息工程大学； 篇均被引频次最高的机构分别为九州工业大学、西北工业大学、上海交通大学、电子科技大学、杭州电子科技大学、西南林业大学、中南财经政法大学（见表 1.2.6）。在发文机构方面，南京大学、南京信息工程大学合作较多（见图 1.2.4）。施引核心论文发文量排在前三位的国家分别是中国、美国、沙特阿拉伯（见表 1.2.7）。施引核心论文的主要产出机构是南京信息工程大学、曲阜师范大学和安徽大学（见表 1.2.8）。

1.2.3    仿昆虫微型扑翼飞行器

仿昆虫微型扑翼飞行器相比于传统的固定翼和旋翼无人飞行器，具有体积小、重量轻、成本低、隐蔽性强和可操作性好等特点，能够执行如低空侦

《表 1.2.5 》

表 1.2.5 “水下无人航行器”工程研究前沿中核心论文的主要产出国家

序号 国家 核心论文数 论文比例 被引频次 篇均被引频次 平均出版年
1 中国 4 80.00% 296 74 2020
2 日本 1 20.00% 80 80 2020
3 新西兰 1 20.00% 75 75 2020
4 澳大利亚 1 20.00% 61 61 2020
5 沙特阿拉伯 1 20.00% 61 61 2020
6 美国 1 20.00% 57 57 2020

《表 1.2.6 》

表 1.2.6 “水下无人航行器”工程研究前沿中核心论文的主要产出机构

 

序号 机构 核心论文数 论文比例 被引频次 篇均被引频次 平均出版年
1 南京大学 2 40.00% 155 77.5 2020
2 南京信息工程大学 2 40.00% 155 77.5 2020
3 九州工业大学 1 20.00% 80 80 2020
4 西北工业大学 1 20.00% 80 80 2020
5 上海交通大学 1 20.00% 80 80 2020
6 电子科技大学 1 20.00% 80 80 2020
7 杭州电子科技大学 1 20.00% 80 80 2020
8 西南林业大学 1 20.00% 80 80 2020
9 中南财经政法大学 1 20.00% 80 80 2020
10 曲阜师范大学 1 20.00% 75 75 2020

《图 1.2.3》

图 1.2.3 “水下无人航行器”工程研究前沿主要国家间的合作网络

察、城市作战、电子干扰、核生化探测、地理勘测、自然灾害监视与支援、环境污染监测以及边境巡逻等任务，在民用和国防领域具有重要而广泛的应用

前景。鉴于微型扑翼飞行器的优势和巨大应用潜力， 美国、德国、日本和韩国等各国科学家开展了基于蜻蜓、蝴蝶、蜜蜂、蚊子等不同形态特征的仿生微型扑翼飞行器研究。哈佛大学、卡内基梅隆大学、加利福尼亚大学伯克利分校、西北工业大学、上海交通大学等机构研制了基于压电驱动的仿昆虫扑翼飞行器；荷兰代尔夫特大学、卡内基梅隆大学、普渡大学、韩国建国大学、布鲁塞尔自由大学、西北工业大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、北京科技大学、南京航空航天大学等机构研制了基于电机驱动的仿昆虫扑翼飞行器；其他驱动形式（如电磁驱动、化学肌肉驱动、记忆材料驱动等）的仿昆虫扑翼飞行器也得到了国内外多家单位的关注与研究。仿昆虫扑翼飞行器已成为无人微型飞行器领域关注的重点与焦点，其理

《图 1.2.4 》

图 1.2.4 “水下无人航行器”工程研究前沿主要机构间的合作网络

《表 1.2.7》

表 1.2.7 “水下无人航行器”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出国家

序号 国家 施引核心论文数 施引核心论文比例 平均施引年
1 中国 161 69.70% 2019.9
2 美国 17 7.36% 2019.9
3 沙特阿拉伯 11 4.76% 2020
4 澳大利亚 8 3.46% 2020
5 英国 7 3.03% 2020
6 加拿大 7 3.03% 2019.9
7 韩国 7 3.03% 2019.9
8 印度 4 1.73% 2020
9 巴基斯坦 3 1.30% 2020
10 挪威 3 1.30% 2020

《表 1.2.8》

表 1.2.8 “水下无人航行器”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出机构

序号 机构 施引核心论文数 施引核心论文比例 平均施引年
1 南京信息工程大学 26 22.81% 2019.8
2 曲阜师范大学 18 15.79% 2019.7
3 安徽大学 16 14.04% 2019.8
4 南京理工大学 12 10.53% 2020
5 电子科技大学 7 6.14% 2019.9
6 沙特国王大学 7 6.14% 2020
7 南京大学 6 5.26% 2019.8
8 中国科学院 6 5.26% 2019.8
9 五邑大学 6 5.26% 2020
10 河海大学 5 4.39% 2020

论研究和技术攻关的突破，对于推动无人机行业的微型化、智能化以及仿生技术在航空领域的应用具有重要的价值和意义。

当前相关研究主要有高效扑动翼、高效微型动力 / 能源系统、高集成度轻量化航电系统、整机集成及实验测试系统四个方面。在扑翼设计方面，分析扑动翼气动性能的参数影响规律，揭示仿昆虫飞行的非定常气动机理，研究结构与气动耦合作用的微型扑翼参数化建模与优化设计方法，实现仿生扑翼的高气动效能设计。在微型动力/ 能源系统方面， 开发金属离子、二维材料、光电薄膜、聚合物基等多种新型能源电池，设计智能化能源管理策略，实现高效率、轻量化、高稳定性能源系统；研制压电、人工肌肉、精密齿轮等各类驱 / 传动方式的微型机构，研究多样式驱动机构材料制备及其成型加工方法等，开发高效比高可靠的微型精密驱动传动系统。在高集成度轻量化航电系统方面，开发面向声、光、电、磁、热等多源环境信息的 MEMS 基微型智能化任务载荷，设计飞行多源扰动与非线性特征耦合的高性能智能飞行学习策略及控制系统，设计具有远距离、低功耗等特征的高效比机载 / 地面信息通信系统，研制任务载荷、信息通信系统与飞行控制系统一体化的芯片级柔性制备工艺，实现微型航电系统高密度轻量化集成。在整机集成与实验测试平台方面，研究多学科交叉融合的系统级仿生集成建模方法，开发适用于仿昆虫微型飞行器的综合实验测试平台与数据采集分析系统，推动仿昆虫扑翼飞行器的工程应用和产业化发展。随着仿生学、非定常空气动力学、微机电系统、柔性材料、人工智能等技术的发展，微型化、轻量化以及智能化成为仿昆虫微型扑翼飞行器的研究前沿和发展趋势，随着人工智能、数据融合与先进控制技术的引入，集群与协同控制势必成为未来关注的焦点。

“仿昆虫微型扑翼飞行器”工程研究前沿中， 核心论文发表量排在前列的国家是美国、中国，篇均被引频次排在前列的国家是中国、美国（见表1.2.9）。在这两个发文量前两位的国家之间不存在合作关系。在发文量前五位的机构中，核心论文发文量排在前列的机构是哈佛大学。篇均被引频次排在前列的机构是上海交通大学、华盛顿大学、麻省理工学院（见表 1.2.10）。哈佛大学和麻省理工学院、哈佛大学和南加利福尼亚大学的合作较多（见图 1.2.5）。施引核心论文发文量排在前两位的国家是美国和中国（见表 1.2.11）。施引核心论文的主要产出机构是哈佛大学和加利福尼亚大学伯克利分校（见表 1.2.12）。

《表 1.2.9 》

表 1.2.9 “仿昆虫微型扑翼飞行器”工程研究前沿中核心论文的主要产出国家

序号 国家 核心论文数 论文比例 被引频次 篇均被引频次 平均出版年
1 美国 5 83.33% 66 13.2 2016.2
2 中国 1 16.67% 38 38 2016

《表 1.2.10》

表 1.2.10 “仿昆虫微型扑翼飞行器”工程研究前沿中核心论文的主要产出机构

序号 机构 核心论文数 论文比例 被引频次 篇均被引频次 平均出版年
1 哈佛大学 4 66.67% 48 12 2015.8
2 上海交通大学 1 16.67% 38 38 2016
3 华盛顿大学 1 16.67% 18 18 2018
4 麻省理工学院 1 16.67% 17 17 2016
5 南加利福尼亚大学 1 16.67% 12 12 2015

 

图 1.2.5 “仿昆虫微型扑翼飞行器”工程研究前沿主要机构间的合作网络

《表 1.2.11》

表 1.2.11 “仿昆虫微型扑翼飞行器”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出国家

序号 国家 施引核心论文数 施引核心论文比例 平均施引年
1 美国 45 50.56% 2018.4
2 中国 20 22.47% 2018.5
3 日本 4 4.49% 2019.2
4 韩国 3 3.37% 2018.3
5 加拿大 3 3.37% 2018.7
6 法国 3 3.37% 2018.7
7 比利时 3 3.37% 2019.3
8 印度 2 2.25% 2017.5
9 智利 2 2.25% 2017.5
10 英国 2 2.25% 2018

《表 1.2.12 》

表 1.2.12 “仿昆虫微型扑翼飞行器”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出机构

序号 机构 施引核心论文数 施引核心论文比例 平均施引年
1 哈佛大学 12 20.00% 2018.2
2 加利福尼亚大学伯克利分校 9 15.00% 2017.9
3 上海交通大学 7 11.67% 2018.6
4 南加利福尼亚大学 7 11.67% 2018
5 华盛顿大学 7 11.67% 2019
6 北京航空航天大学 5 8.33% 2018
7 香港城市大学 4 6.67% 2018
8 鲁汶大学 3 5.00% 2019.3
9 智利大学 2 3.33% 2017.5
10 东京大学 2 3.33% 2018.5

《2    工程开发前沿》

2    工程开发前沿

《2.1    Top 10 工程开发前沿发展态势》

2.1    Top 10 工程开发前沿发展态势

机械与运载工程领域的 Top 10 工程开发前沿涉及机械工程、船舶与海洋工程、航空宇航科学技术、兵器科学与技术、动力及电气设备工程与技术、交通运输工程等学科方向（见表 2.1.1）。其中， 属于传统研究深化的包括人机共融机器人开发、大数据驱动的分布式智能制造决策优化技术、复杂曲面超精密加工检测一体化技术、航天器轨道威胁感知与自主规避技术、高性能金属构件多功能梯度复合材料 3D 打印技术、城市智能客车多模态感知与自主决策技术；属于新兴前沿的包括可重复使用天地往返飞行器、水面无人系统集群自组织协同控制技术、全生命周期数字孪生技术、仿生水下航行器推进与控制技术。各个开发前沿涉及的核心专利2015—2020 年公开情况见表 2.1.2，水面无人系统集群自组织协同控制技术、全生命周期数字孪生技术、高性能金属构件多功能梯度复合材料 3D 打印技术是近年来专利公开量增速最显著的方向。

（1）可重复使用天地往返飞行器

可重复使用天地往返飞行器是一种能够自由穿

《表 2.1.1 》

表 2.1.1    机械与运载工程领域 Top 10 工程开发前沿    

序号 工程开发前沿 公开量 引用量 平均被引数 平均公开年
1 可重复使用天地往返飞行器 95 1 316 13.85 2009.2
2 人机共融机器人开发 380 3 698 9.73 2016.7
3 水面无人系统集群自组织协同控制技术 226 3 430 15.18 2017.5
4 大数据驱动的分布式智能制造决策优化技术 46 774 16.83 2017.7
5 全生命周期数字孪生技术 388 6 974 17.97 2016.4
6 复杂曲面超精密加工检测一体化技术 103 629 6.11 2016.3
7 仿生水下航行器推进与控制技术 193 4 420 22.9 2016.7
8 航天器轨道威胁感知与自主规避技术 229 3 804 16.61 2017.3
9 高性能金属构件多功能梯度复合材料 3D 打印技术 301 1 683 5.59 2017.6
10 城市智能客车多模态感知与自主决策技术 248 28 359 114.35 2015

《表 2.1.2》

表 2.1.2 机械与运载工程领域 Top 10 工程开发前沿核心专利逐年公开量

 

序号 工程开发前沿 2015 年 2016 年 2017 年 2018 年 2019 年 2020 年
1 可重复使用天地往返飞行器 5 2 7 8 11 6
2 人机共融机器人开发 51 72 38 84 69 16
3 水面无人系统集群自组织协同控制技术 12 22 36 56 64 18
4 大数据驱动的分布式智能制造决策优化技术 3 4 7 16 5 6
5 全生命周期数字孪生技术 27 36 62 57 109 20
6 复杂曲面超精密加工检测一体化技术 9 11 14 12 18 13
7 仿生水下航行器推进与控制技术 15 19 28 36 40 23
8 航天器轨道威胁感知与自主规避技术 13 23 29 42 53 40
9 高性能金属构件多功能梯度复合材料 3D 打印技术 21 42 52 43 58 64
10 城市智能客车多模态感知与自主决策技术 7 14 19 34 45 38

越大气层执行空间任务的可重复使用航天运载器。随着人类空间活动规模的扩大，如布设低轨卫星星座、建设空间站和执行频繁的深空探测任务等，各国对低成本航天运输系统的需求愈加强烈，而可重复使用是降低航天运输成本最有效的方式。按重复使用的程度，可重复使用天地往返飞行器可分为部分重复使用和完全重复使用两类；按照入轨方式， 其可分为单级入轨、两级入轨和多级入轨等；按照起降方式可分为垂直起降、水平起降和“垂直起飞 – 水平降落”模式；按照动力形式，其可分为火箭动力和组合循环动力等。可重复使用天地往返飞行器可执行的任务包括空间站与地面之间的上下行人员和货物运输、卫星发射与回收和独立的空间实验任务等。美国 SpaceX 公司的垂直起降部分可重复使用火箭已经获得了巨大成功，有效降低了航天发射成本，提升了美国航天发射的能力。然而，由于传统火箭对发射场的要求较高，火箭发动机推进效率的提升空间有限，未来用于执行频繁天地往返运输任务的应为完全可重复使用的、配备组合循环动力、可在民用机场水平起降的空天飞机。

（2）    人机共融机器人开发

传统工业机器人因惯量大和刚性高等特点，为了保护人的生命安全，需要工作在与人有物理隔离的环境中。不同于传统工业机器人，人机共融机器人能够融入人的正常生活环境、可以与人合作、具备人的灵巧作业以及智能决策能力，其核心特征是： 人机处于同一自然空间、机器人与人自然交互、学习人的技能、与人协调互补、拓展人的运动能力。如何在非结构化环境中，准确理解人的运动意图， 并按照人的意图灵活地操作，完成复杂多变的任务， 同时确保人的安全，是人机共融机器人开发面临的重大挑战，也是国际机器人学领域研究的重点。需要突破的关键技术包括刚柔耦合机构设计、柔性驱动与控制、人体自然运动的机械复现、机器人对环境的感知与理解、人机自然交互等。美国、欧洲、日本等国家和地区已经开始人机共融机器人系统的研究，并研制出新一代共融机器人的样机雏形，如面向工业应用的柔顺机械臂、面向外科手术的腔镜手术机器人、康复辅助机器人和人机一体化假肢等。

（3）    水面无人系统集群自组织协同控制技术水面无人集群的自组织协同是指以水面无人艇

构成的集群系统在感知、决策、规划、控制等方面， 通过个体互动形成复杂、宏观、有序的行为，进而协同完成指定目标任务。一方面，由于水域环境复杂且动态变化，单艘无人艇抗干扰、感知等能力较弱，难以执行复杂的海洋任务。另一方面，无人艇形成集群可有效提升任务范围与效率，拓展自主控制、决策规划和协同任务能力等。因此，开展水面无人集群协同将成为管控中国水域资源、维护中国海洋权益的重要使能工具。主要研究方向有：无人艇集群自组织行为的作用机制与可控性；水面无人艇集群多源信息融合，态势感知、环境检测与目标追踪；能协同处理航道约束、国际海事避障规则、风浪流涌干扰等的水面无人艇集群协同优化决策， 任务分配与路径规划等；应对水域突发事件的无人艇集群协同调控方法。

（4）    大数据驱动的分布式智能制造决策优化技术

分布式制造作为未来制造的发展方向，是一种以快速响应市场需求、提高企业集群竞争力、降低生产成本和风险、提高制造系统响应能力和柔性为目标的先进制造模式，航空、航天产品的制造是典型的分布式制造模式。它更适用于大规模定制、多品种小批量、紧急生产（如当前的新冠病毒疫苗生产）等情形，其决策优化技术对系统运行效率有重要影响。由于分布式制造涉及跨区域多车间多任务协同、多目标优化、制造环境多变等诸多复杂因素， 对高效决策优化技术提出重大挑战。大数据技术提供了一种新的思路。大数据驱动的分布式智能制造决策优化技术是当前研究前沿，重点研究分布式制造中跨区域 / 企业 / 系统的海量多源异构制造数据感知、基于新一代信息技术的工业互联网架构、决策模型的智能构建、数据与机理混合驱动的多目标优化、面向不确定性信息的主动调度等理论、方法和技术，实现分布式制造的整体协同优化，提高分布式制造系统的运行效率。

（5）    全生命周期数字孪生技术

全生命周期数字孪生技术，是指在包括设计、生产、销售、运行、维修、回收再用的整个生命周期过程中，利用数字孪生技术实现各阶段要素、业务及流程的精准数字化建模，跨阶段数据与模型交互，全生命周期数据集成、融合及共享等，通过数据与模型贯穿连接全生命周期过程，打破不同阶段间的资源壁垒，在此基础上开展数据与模型双驱动的实时监控、虚拟调试、实时仿真、动态预测等， 从而实现对全生命周期过程中关键环节、性能及行为等的精准预测与管控。全生命周期数字孪生技术的主要研究方向包括全生命周期数据实时采集、交互、集成共享，多维多尺度虚拟模型构建、组装、融合、校正、验证及管理，多维数据关联与融合处理，数据 – 模型 – 服务 – 实体实时联动，服务系统管理与增值增效等。未来，数据与模型全面融合将是全生命周期数字孪生技术的发展趋势，也是企业提质增效的重要手段，包括设计、生产、销售、运维、回收等全流程模型与数据全面融合，产品、生产系统、供应链等全要素模型与数据全面融合，以及计划、控制、调度、故障预测等全业务模型与数据全面融合，从而全面实现数字化赋能。

（6）    复杂曲面超精密加工检测一体化技术

随着航空航天、芯片制造、光电信息等领域的快速发展，各个产业对于核心器件多功能、轻量化等的要求不断提高，因而对超精密复杂曲面元件的需求与日俱增。超精密加工检测一体化融合加工、检测及误差补偿等多项技术，是实现该类元件高效高质加工的有效手段。目前，在复杂曲面超精密加工方面，主要已开展了复杂曲面创成原理、刀具设计与制造方法、加工路径规划算法等方面的研究；在复杂曲面超精密检测方面，主要已开展了高精度检测技术及仪器、面形误差修正补偿原理、面形精度全制程控制方法等方面的研究。针对零件尺度极端化、形状复杂化、材料多样化、加工（亚）表面近零损伤和应力等需求，复杂曲面超精密加工检测一体化技术的研究呈现三个发展趋势：一是多能场辅助超精密加工，利用力、热、光、电等多能场耦合作用机制，实现特殊材料的高效率、高精度和低损伤加工；二是新型超精密加工装备的设计开发及加工过程智能控制，解决加工复杂特征结构时所需的刀具路径与工艺条件的不可达问题；三是超精密加工过程在线检测及离线在位检测与误差补偿，基于在位检测数据实现复杂曲面的高精度反馈补偿加工。

（7）    仿生水下航行器推进与控制技术

仿生水下航行器主要是指借鉴自然界生物尤其是海洋生物的运动机理、生物构造、群体行为等发展而来的一类水下航行器，与传统水下航行器相比， 其具备低噪声、高隐身等优势。鱼类是海洋中最常见的游动生物，其具有的低阻力外形和高效、灵活的游动方式是水下无人装备设计的重要参考。
根据鱼类游动使用的身体部位不同，可以将鱼类的游动推进方式分为身体或尾鳍推进模式（body or caudal fin propulsion，简称 BCF）和中鳍或对鳍推进模式（media or paired fin propulsion，简称MPF）。其中，基于 BCF 模式的仿生推进加速性能要优于 MPF 模式，但基于 MPF 模式的仿生机动性能要优于 BCF 模式。
目前该领域的技术方向主要包括基于生物观测及解剖学的仿生生物学分析技术、基于新材料或复合多驱动仿生结构设计技术、面向仿生柔体大变形流体仿真技术、多自由度系统运动协调仿生控制技术等。该研究方向具有多学科、多领域交叉的特点，构建多模态运动学分析、结构仿生、神经控制仿生、相似性评价体系、实验验证等多学科交叉融合的系统闭环迭代优化是该领域未来的发展方向。

（8）    航天器轨道威胁感知与自主规避技术

近年来，随着太空竞争的加剧以及空间碎片的大量增加，在轨航天器的安全性受到了极大的威胁。为了应对太空打击或空间目标的撞击，需要使航天器具备感知潜在轨道威胁的能力，并在感知信息的基础上，通过自主调整轨道等手段规避空间威胁。航天器轨道威胁感知与自主规避技术采用地基监测和天基监测手段跟踪并监视空间碎片与非合作目标；通过轨道计算确定航天器与较大空间碎片的轨道，并计算航天器与碎片发生碰撞的概率，一旦碰撞概率达到预警值，就让航天器进行规避机动；主要技术方向包括空间目标探测技术、精密轨道计算技术、轨道误差传播技术、预警与规避技术等。主要发展趋势包括：加强顶层设计和战略布局，发展天地监测系统，提升空间目标感知能力；推进天地一体化感知网络建设， 重点发展微小卫星组网技术，提高卫星平台的柔性化，增强卫星的防护能力，构建天地一体化抗干扰通信网络系统，形成全天候、全覆盖的态势感知能力体系；加快发展态势感知领域大数据处理和融合技术、空间大数据技术、人工智能技术等， 保障“数据主权”，提升航天器轨道威胁感知能力和自主规避能力。

（9）    高性能金属构件多功能梯度复合材料 3D打印技术

金属多功能梯度复合材料（gradient composite materials, GCM）是指材料的化学成分、微观组织、孔隙结构等要素在空间上连续或准连续变化，从而使其物理、化学等性能按照设计要求呈连续梯度变化，具有特殊多功能的新型复合材料，因此可应用于航空航天、深海舰船、核物理工程等国家重大战略发展领域的极端服役环境中。3D 打印 （3D printing），属于增材制造（additive manufacuturing, AM），采用逐层制造并叠加原理，通过 CAD 模型直接成形复杂零件。通过在不同位置放置不同材料，或设置不同工艺参数，或设计不同结构，3D 打印技术可以直接制造精细定制化梯度复合材料。在众多 3D 打印技术中，可用于制备金属多功能梯度复合材料的工艺有激光近净成形（laser engineer- ing net shaping, LENS）、激光选区成形（selective laser melting, SLM）、电子束选区成形（selective electron beam melting, SEBM）、电弧增材制造（wire arc additive manufacturing, WAAM）等。该研究方向的主要发展趋势包括：梯度复合材料的梯度及功能设计理论；界面冶金原理及成分调控机制；面向梯度复合材料的新型增材工艺理论；面向梯度复合材料的新型热处理工艺方法等。此外，通过特定的设计，增材制造的智能梯度复合材料的形状、性能、功能可随时间、空间、环境进行可控变化，即 4D 打印新思路，正成为前沿的研究领域。

（10）    城市智能客车多模态感知与自主决策技术

随着物联网、大数据、人工智能等新兴技术的快速发展，汽车的智能化水平得到了显著提升，具备高级别自动驾驶功能的汽车正在走向量产应用。自动驾驶的核心关键技术是感知、决策与控制。城市道路的交通环境比高速公路更加复杂，因而需要通过融合多源感知信息，结合机器学习方法实现自主决策。在感知方面，为解决目前单传感器感知技术无法适应复杂城市交通场景的缺陷，需要引入多源感知技术，通过获取车载、路侧与云端数据，有效融合不同传感器对同一目标或场景采集的数据， 进而增强感知的可靠性。在决策方面，需要构建自动驾驶大脑，利用机器学习方法开展类人决策，并将控制指令下达给执行机构，实现城市智能客车的自主决策和控制。主要发展趋势包括：充分利用城市交通基础设施，构建面向客车智能驾驶的数字交通环境和数字孪生平台，实现低延时、高精度的交通信息多元感知；利用云边端一体化技术，研究城市智能驾驶的云决策架构，实现复杂城市交通环境下的多车协同；研究人车路广义交通系统的多尺度场景理解技术，突破自动驾驶在线进化学习技术， 实现城市智能客车的自学习。

《2.2    Top 3 工程开发前沿重点解读》

2.2    Top 3 工程开发前沿重点解读

2.2.1    可重复使用天地往返飞行器

发展可重复使用天地往返飞行器，能够从根本上降低空间进出成本，实现空天运输的“航班化”， 极大地促进空间科学发展和空间资源的开发，并可能引发人类新一轮的“工业革命”。
航天飞机是第一代可重复使用的航天器，其由两个固体火箭助推器和一个轨道器组成：助推火箭在与轨道器分离后采用伞降方式回收；轨道器配备液体火箭发动机，搭载人员和空间载荷继续加速入轨执行空间任务，任务结束后采用无动力滑翔方式再入大气层并水平降落至特定机场，实现回收。然而，由于设计的缺陷和当时技术条件的限制，航天飞机的维护成本过高，其可重复使用的特点并没用降低其发射费用，最终于 2011 年退役。但是，随着人类空间活动规模的扩大，对低成本的航天发射技术仍然存在强劲的需求。以 SpaceX 公司为代表的美国商业航天公司独辟蹊径，发展了垂直回收运载火箭系统，依靠火箭发动机反推，将一级火箭垂直降落于回收平台上，实现对一级火箭的整体回收， 显著降低了发射费用，在商业航天发射市场取得了巨大的成功，还直接促进了美国在低轨互联网卫星领域的蓬勃发展。然而，由于火箭发动机比冲的限制，火箭系统的运载效率存在“天花板”，而且火箭对发射场有较高的要求，重复使用运载火箭并不能解决航天发射成本居高不下的问题。可在民用机场水平起降的空天飞行器是未来可重复使用航天运载技术的发展趋势。

发展水平起降空天飞行器，需要解决大尺度 – 宽速域 – 机体 / 推进一体化气动布局设计技术、热防护与热管理技术、组合循环动力技术、复杂航天器控制技术，以及地面和飞行实验技术等。在高超声速空气动力学、超声速燃烧、非线性控制和耐高温材料方面也面临众多的基础理论问题亟待解决。目前，本方向的核心专利产出数量较多的国家是美国和中国，平均被引数排在前列的国家是俄罗斯、美国和英国（见表 2.2.1）。注重领域合作的国家有美国和英国、美国和加拿大（见图 2.2.1）。核心专利产出数量较多的机构是波音公司、北京宇航系统工程研究所（见表 2.2.2）。产出机构之间不存在合作关系。

《表 2.2.1》

表 2.2.1 “可重复使用天地往返飞行器”工程开发前沿中核心专利的主要产出国家

序号 国家 公开量 公开量比例 被引数 被引数比例 平均被引数
1 美国 57 60.00% 1 075 81.69% 18.86
2 中国 23 24.21% 38 2.89% 1.65
3 法国 5 5.26% 53 4.03% 10.6
4 俄罗斯 3 3.16% 61 4.64% 20.33
5 英国 2 2.11% 37 2.81% 18.5
6 日本 2 2.11% 8 0.61% 4
7 加拿大 2 2.11% 5 0.38% 2.5
8 以色列 1 1.05% 10 0.76% 10
9 意大利 1 1.05% 0 0.00% 0

《表 2.2.2 》

表 2.2.2 “可重复使用天地往返飞行器”工程开发前沿中核心专利的主要产出机构

序号 机构 国家 公开量 公开量比例 被引数 被引数比例 平均被引数
1 波音公司 美国 13 13.68% 157 11.93% 12.08
2 北京宇航系统工程研究所 中国 7 7.37% 20 1.52% 2.86
3 美国奇石乐航空航天公司 美国 4 4.21% 151 11.47% 37.75
4 北京蓝箭空间科技有限公司 中国 4 4.21% 0 0.00% 0
5 美国艾利安特技术系统公司 美国 3 3.16% 85 6.46% 28.33
6 欧洲航空防御和航天公司 荷兰 3 3.16% 53 4.03% 17.67
7 美国国家航空航天局 美国 3 3.16% 52 3.95% 17.33
8 美国蓝源公司 美国 2 2.11% 40 3.04% 20
9 美国联合技术公司 美国 2 2.11% 15 1.14% 7.5
10 美国生物圈航空航天公司 美国 2 2.11% 9 0.68% 4.5

 

《图 2.2.1》

图 2.2.1 “可重复使用天地往返飞行器”工程开发前沿主要国家间的合作网络

2.2.2    人机共融机器人开发

发展人机共融机器人，建立本质安全、人机协同认知和行为互助的新一代机器人技术，可为工业、康复和国防领域不断出现的新应用场景和需求提供支撑。通过人机共融机器人，解决绿色制造、柔性制造、个性化制造等新制造模式对自动化、智能化装备的需求；修复 / 重建运动功能受损 / 缺失患者的运动能力，缩短神经功能损伤患者的康复训练时间，实现截肢患者对假肢直接、自然的控制； 减少单兵行走和负重运动的代谢能消耗，提升单兵战斗力。

人机共融的工业机器人，能够融入“有人的生产线”，将机器人的性能与人的能力结合起来，共同完成生产任务。机器人与人结合所组成的工作系统可同时具有高精度、高动力、高耐力和处理不确定任务的能力。人机共融的康复机器人能够替代康复医师，通过人机交互力、人眼视觉信息、电生理信号等来感知患者运动意图，在患者意图主导下， 开展日常功能运动训练和操作任务训练，可显著缩短康复治疗时间。人机共融的假肢通过生机接口，可在截肢患者残端神经信号的控制下复现缺失的运动功能。在国防领域，士兵在日常巡逻、执勤和作战中往往需要负重行军，过大的负载会极大地消耗士兵体力，并给士兵的身体造成损伤，人机共融的外骨骼机器人通过穿戴式传感器件来感知士兵的运动意图和步态变化趋势，适时提供辅助力矩， 减少士兵自然行走和负重运动的代谢能消耗，提高行走效率。

目前人机共融机器人在安全、结构、感知、控制等方面仍然存在诸多挑战。在机器人对环境和人行为的感知与理解方面，需要开展人体行为解析、非结构化环境的数学描述、多感知信息的融合理解、仿生视觉感知与认知等研究；在机器人行为方式与安全机制方面，需要开展机器人路径实时规划、刚柔智能切换控制等研究；在机器人的结构与本体设计方面，需要开展灵活操作机构、新型柔性驱动器、新型穿戴式传感器件等研究；在人机自然交互方面， 需要开展人– 机器人直接示教技术、语音交互技术、视觉交互技术、生 – 机 – 电融合交互技术等研究。
目前，本方向的核心专利产出数量较多的国家是中国、美国，平均被引数排在前列的国家是英国、美国、加拿大（见表 2.2.3）；瑞士和美国、瑞士和中国合作较多，中国和美国也存在合作（见图2.2.2）。核心专利产出数量排在前列的机构是华南理工大学、广州市绿松生物科技有限公司、浙江工业大学（见表 2.2.4）。专利主要产出机构之间不存在合作关系。

2.2.3    水面无人系统集群自组织协同控制技术

随着海洋作业任务日趋复杂，国家海洋强国战略对水面无人系统的协作范围和协同效率提出了越来越严苛的要求。开展水面无人集群研究可提高中国无人系统在监测、预警等方面的作业能力、覆盖范围、协同效率，从而有望代替人类执行恶劣、危险的复杂任务。近年来，世界各发达国家和经济体纷纷提出了无人系统技术发展路线图，加紧布局，

《表 2.2.3 》

表 2.2.3 “人机共融机器人开发”工程开发前沿中核心专利的主要产出国家

序号 国家 公开量 公开量比例 被引数 被引数比例 平均被引数
1 中国 322 84.74% 1 576 42.62% 4.89
2 美国 33 8.68% 1 836 49.65% 55.64
3 德国 6 1.58% 86 2.33% 14.33
4 日本 6 1.58% 60 1.62% 10
5 韩国 5 1.32% 0 0.00% 0
6 瑞士 3 0.79% 12 0.32% 4
7 法国 3 0.79% 9 0.24% 3
8 沙特阿拉伯 2 0.53% 8 0.22% 4
9 英国 1 0.26% 75 2.03% 75
10 加拿大 1 0.26% 34 0.92% 34

 

《图 2.2.2》

图 2.2.2 “人机共融机器人开发”工程开发前沿主要国家间的合作网络

《表 2.2.4 》

表 2.2.4 “人机共融机器人开发”工程开发前沿中核心专利的主要产出机构

序号 机构 国家 公开量 公开量比例 被引数 被引数比例 平均被引数
1 华南理工大学 中国 24 6.32% 185 5.00% 7.71
2 广州市绿松生物科技有限公司 中国 11 2.89% 98 2.65% 8.91
3 浙江工业大学 中国 9 2.37% 75 2.03% 8.33
4 哈尔滨工业大学 中国 8 2.11% 57 1.54% 7.13
5 成都万先自动化科技有限责任公司 中国 8 2.11% 13 0.35% 1.63
6 美国跃动有限公司 美国 6 1.58% 157 4.25% 26.17
7 上海人智信息科技有限公司 中国 5 1.32% 24 0.65% 4.8
8 美国约翰霍普金斯大学 美国 4 1.05% 27 0.73% 6.75
9 河北工业大学 中国 4 1.05% 25 0.68% 6.25
10 东南大学 中国 4 1.05% 9 0.24% 2.25

抢占战略制高点。2018 年美国发布《2017—2042 财年无人系统综合路线图》，提出了无人系统协同作战计划，欧盟“地平线 2020”计划、日本 2014 年发布的《机器人白皮书》等也相继将无人系统集群技术作为战略重点进行研究。2017 年国务院印发的《新一代人工智能发展规划》中，21 次提到“群体智能”，11 次提到“自主无人系统”。中央军委科学技术委员会发布的《前沿科技创新计划指南》将智能集群协同列入核心科学技术问题。国务院印发的《国家信息化规划》中提到，海洋无人系统…… 需要与北斗导航、卫星、浮空平台和飞机遥感协作形成全球服务能力。
当下，水面无人集群系统仍然面临着稳定运行、异构跨域，深度协同等重大挑战。海洋环境干扰众多，检测复杂，极大地影响了水面无人集群系统的稳定运行。与此同时，慢速无人艇集群与快速艇载无人机集群的协同易造成冲突失效，导致协同困难。另外，复杂水域突发事件通常具有高机动性，现有单纯水面域的无人艇集群协同难以应对。因此，亟须研制具备跨域感知能力和快速调控能力的海空跨域无人系统集群。开展海空跨域无人系统集群可实现无人艇群和无人机群的优势互补：一方面，无人机集群可将无人艇的监测、感知维度从二维拓展到三维；另一方面，以无人艇集群作为水面移动平台， 可有效拓展无人机集群的任务执行、续航能力。相关研究方向包括：研究复杂海域环境下海空跨越无人系统环境感知与目标识别；针对无人艇在波浪起伏的水域中看不清、控不稳的问题，研究强抗干扰下的水面无人集群航迹规划、动态避障、路径跟踪技术；研究海空跨域无人系统集群运行失稳恢复技术；研究海空跨域无人系统协同决策与控制技术； 研究海空跨域无人系统集群协同群智激发汇聚机理、群智进化调控策略；研究应对水域突发事件集群协同调控方法；研制与开发海空跨域无人系统集群的部件与装备。

目前，本方向的核心专利产出数量较多的国家是中国、美国，平均被引数排在前列的国家是加拿大、新加坡、美国（见表 2.2.5）；注重领域合作的国家有美国和荷兰（见图 2.2.3）。核心专利产出数量较多的机构是大疆创新科技有限公司、北京航空航天大学、哈尔滨工程大学（见表 2.2.6）。专利主要产出机构之间不存在合作关系。

《表 2.2.5 》

表 2.2.5 “水面无人系统集群自组织协同控制技术”工程开发前沿中核心专利的主要产出国家

序号 国家 公开量 公开量比例 被引数 被引数比例 平均被引数
1 中国 154 68.14% 1 423 41.49% 9.24
2 美国 54 23.89% 1 662 48.45% 30.78
3 日本 4 1.77% 15 0.44% 3.75
4 韩国 4 1.77% 11 0.32% 2.75
5 荷兰 3 1.33% 16 0.47% 5.33
6 加拿大 2 0.88% 245 7.14% 122.5
7 新加坡 1 0.44% 38 1.11% 38
8 以色列 1 0.44% 8 0.23% 8
9 英国 1 0.44% 7 0.20% 7
10 德国 1 0.44% 2 0.06% 2

《表 2.2.6》

表 2.2.6 “水面无人系统集群自组织协同控制技术”工程开发前沿中核心专利的主要产出机构

序号 机构 国家 公开量 公开量比例 被引数 被引数比例 平均被引数
1 大疆创新科技有限公司 中国 23 10.18% 793 23.12% 34.48
2 北京航空航天大学 中国 10 4.42% 92 2.68% 9.2
3 哈尔滨工程大学 中国 9 3.98% 20 0.58% 2.22
4 美国 Elwha 公司 美国 7 3.10% 377 10.99% 53.86
5 南京航空航天大学 中国 6 2.65% 50 1.46% 8.33
6 西北工业大学 中国 6 2.65% 19 0.55% 3.17
7 中国人民解放军国防科技大学 中国 6 2.65% 3 0.09% 0.5
8 西安电子科技大学 中国 5 2.21% 29 0.85% 5.8
9 波音公司 美国 4 1.77% 165 4.81% 41.25
10 天津大学 中国 4 1.77% 39 1.14% 9.75

 

《图 2.2.3 》

图 2.2.3 “水面无人系统集群自组织协同控制技术”工程开发前沿主要国家间的合作网络

 

领域课题组人员    

课题组组长：李培根    郭东明            

院士专家组：

周    济    卢秉恒    严新平    徐    青    李魁武    刘桂雄     姬    学    黄治军    蒋文春    史铁林    夏    奇    孙逢春    朱广生    林忠钦    吴有生    

其他专家组：          

路庆昌    詹    梅    杨树明    李秦川    孙津济    宋    波    李永兵    刘海涛    袁    伟    刘辛军    袁成清    王树新    向先波    苑伟政    陶    波    王新云    曹华军    贺    永    陈本永    陈学东    陈    焱    龚建伟    陶    飞    陈汉平    訾    斌    阮新波    沈卫明    熊蔡华    张海涛    高    亮     

黄明辉    魏仁干    闫永达    朱利民    李宝仁    闫春泽    鲁中良    张    晖    谭永华    韩    江    肖    扬    曲宁松    李公法    焦斌斌    钱林茂    姬    学    刘桂雄   黄治军    蒋文春    史铁林    夏    奇

执笔组成员：

王树新    史超阳    向先波    苑伟政    陶    波    陈学东    陈    焱    龚建伟    陶    飞    陈汉平    曾    阔    沈卫明    史彦军    熊蔡华    陈文斌    张海涛    高    亮    朱利民    李宝仁    张建星    闫春泽    杨    磊    严新平    张    晖    史铁林    夏    奇    陈惜曦