庖丁解牛术
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庖丁解牛术 发布于:2013/10/14
    庖丁为文惠君解牛,手之所触,肩之所倚,足之所履,膝之所踦,砉然响然,奏刀騞然,莫不中音。合于《桑林》之舞,乃中《经首》之会。”这段描述出自《庄子》,言及庖丁解牛之术,比喻经过反复实践,掌握了事物的客观规律,做事得心应手,运用自如。庖丁解牛之法实与科研之法有异曲同工之效,妙莫能言。
  笔者刚读研究生时,导师与我谈科研该怎么做。记得自己当时很是怀疑,因为心里总认为,科学研究是人类社会最高层次的精神活动,不是一般人可以触及,定是那些才华横溢的“高手”才能承担的。于是,导师每次安排研究课题或是项目任务后,自己就仿佛肩负了神圣使命一般,总想着尽自己最大努力去完成。后来,笔者在继续攻读研究生及博士期间,却逐渐少了那种激动,多了一丝淡然,慢慢地不觉得自己是在做科研了,反倒把它看成了一份平常的工作,理论水平和科研成果也在这样的状态中累积增多。这样看来,科研其实并不是那么高深莫测,普通人也可以完成得很好。
  有人曾问我,科研到底要做些什么?记得我是这样描述的:科研就是把一个复杂的大问题分成几个自己熟悉的小问题,即分解为一个个相对简单的、易操作的子问题。现在想想这正是科研人员的必备技能,我把它称为庖丁解牛之术。
  举一个舞蹈机器人研究的例子来说明“解牛”之术在科研选题和解题中的应用。
  问题:如何制造一个会跳舞的机器人?
  按照传统机械系统的分类,机器人系统可以分为功能系统,控制系统和动力系统三部分,这是分解问题的第一步。接着便要明确目标。具体来说,如果要针对这个大问题进行选题,可以根据自己的专业或兴趣爱好来选择,比如力学专业、机械工程专业的科研人员可以选择功能系统,研究机器人的结构、各部件的运动形态应如何设计,才能完成相应的动作,实现其“摇曳生姿”的跳舞功能;如果是自动化、控制及电路专业的科研人员可以选择控制系统;电机等动力学专业的研究者,则可以选择动力系统作为研究内容。
  经过该步分解后,我们可以发现机器人的研究就是由理论力学、控制理论、动力学构成的。当然这个分解还只是初级的。倘若选择功能系统作为主攻方向继续深入研究,如给机器人设计一套体操动作,那又该如何“分解”呢?
  这个阶段的“解牛”过程显得更为具体,即研究点变得更多更细,如材料选择、结构设计、刚体之间的连接、刚体运动、机器人平衡等等。任意选择一个研究点开展科研,都是一项值得“深挖”的工作。比如在材料选择上,是否可以运用创新性的柔性材料,使得机器人打破人们对其“僵硬”的印象,为其添上“柔软”的元素;在结构设计上,如何合理设计才能使机器人在完成任意动作时稳定流畅,而不是给人笨重的感觉。值得强调的是,系统论的观点已经证明,子系统的简单叠加并不等于全系统,因此在分解的过程中还要想着各部分之间的联系。
  选题确定后,就进入具体问题具体分析阶段,即如何解决问题。比如如何完成一个舞蹈机器人多刚体动力学的分析和设计?可以继续采用“解牛”之术,把这个问题再次分解成一系列可以解决的小问题:
  1.该种舞蹈反应了多少刚体的运动,关键节点的运动轨迹是什么?
  2. 如何建立坐标系描述这种多刚体动力学?
  3. 如何完成头部动作、肩膀动作、手臂动作、腿上及脚上动作等各种动作类型的说明?
  笔者认为,在解决了建立坐标系这个问题后,上述问题就转化为了理论力学中的运动学研究,解决这个看似复杂的大问题也就成了求解一系列的运动学中的小问题,将小问题“各个击破”后组合起来,上文中提到的舞蹈机器人多刚体动力学的分析和设计难题也就“迎刃而解”。
  可见,解决一个问题,就要学会“庖丁解牛”。很明显,一整头牛摆在你面前,虽然惦记着牛肉美味可口,但如果不知道从何“下刀”,也只能眼巴巴地看着。但如果懂得“解牛”之法,知道先切哪里,再切哪里,牛身上哪部分好吃,哪部分不好吃,而且对各部分的营养成分也能有所了解,想必这定是一次完美的“牛肉盛宴”。同理,一个复杂的大问题摆在面前,首先要把它合理分解,然后理顺各部分的关键研究内容,并找到合理的解决方法。之后便是继续深入理解这个问题,理清各部分内容之间的相互关系,搭建它们彼此的网联关系。可以这样说,分解是“知其然”,联系则是“观其所以然”,而“晓其所以然”才是科研的最终目的。来源:发明与创新(综合版) 作者:张伟伟
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