ISSN 1004-132X
CN 42-1294/TH
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国际学术界璀璨星光中的华人科学家
——“2020 ASME 机械设计终身成就奖”获得者戴建生教授
陈定方
2020年6月，美国机械工程师学会（ASME ）设计工程分会授予华人科学家戴建生教授 “2020 ASME 机械设计终身成就奖”（2020 ASME Machine Design Award）。戴建生教授是1959年以来该奖项的第58位获得者，是有史以来第一位获此殊荣的华人学者。
ASME 设计工程分会授予戴建生教授“2020 ASME 机械设计终身成就奖”时的颁奖辞是：为建立可重构机构领域和变胞机构子领域作出了开拓性与奠基性贡献；通过研究、应用、教学和服务对机械设计产生了持久性影响，从而弥合了通用但昂贵的机器人与高效但不灵活的机器之间的鸿沟。
英文原文：For pioneering contributions in establishing the field of reconfigurable mechanisms and the subfield of metamorphic mechanisms; and for making a lasting impact through research, application, teaching and service that have made it possible to bridge the gap between versatile but expensive robots and efficient but nonflexible machines.
1 ASME顶层奖：机械设计终身成就奖
ASME 机械设计终身成就奖是设计工程领域 (Design Engineering Division)的最高奖项（该奖项的链接见https: //www.asme.org/about-asme/ honors- awards/achievement-awards/machine-design-award）。该奖项是在国际机械设计工程的以下16个领域中评出的：设计自动化，制造设计与生命周期，设计理论与方法论，机构学与机器人学，机电一体化与嵌入式系统，工程计算与信息科学，计算与非线性动力学，微纳系统，医疗器械，动力传动装置，可靠性、应力分析和故障预防，车辆设计，紧固与连接，设计教育，振动与噪声等。
ASME 机械设计工程终身成就奖的58位获奖者皆为国际机械设计巨匠，所涉研究涵盖上述16个领域，成就卓著。
最初二十年，1959-1978年的 19位获奖者中（1973年空缺），齿轮研究特殊贡献有3位，振动与噪声专家1位，有全球广为应用的12个版本《美国机械工程师手册》主编1位，有美国谐波驱动公司创始人，有发明第一台山地推土机并具有300项专利来自美国勒图尔勒技术公司的专家，有机构学鼻祖 Freudenstein，机构设计、机械设计专家2位，轴承滚动专家2位，获得250项专利的应力专家1位，传动专家1位，机器疲劳特殊贡献专家1位，1953-1957年最早的机构学年会组办者，人体肌骨数学模型专家，高阶多项式与动力学专家等等，在非常广泛的领域，都是国际机械设计巨匠们。仅在这20年的获奖者中，有世界第一台流体步进执行器发明者，第一台电动计分器发明者，计算机磁盘之父(发明者)，假肢生物力学杰出贡献者。
在1979—1999年的20位获奖者中（1998年空缺），有11位涉及机械设计及优化领域的学者，其成果范围包括：凸轮设计，开发著名软件实现机械设计，计算机辅助设计，轴承结构的设计及优化，轴承润滑，机械疲劳，齿轮设计及能量传递，机构综合，以及机械动力学。有机械设计巨著被全球引用的顶级机械设计者 Shigley，有全球顶级机器动力学并以他命名的 Mechanism and Machine Theory 最佳论文的 Crossley，有第一位开发四足机器人的斯坦福大学教授，有世界机构与机器理论联合会的第一任主席，有德国著名结构力学大家。
在2000-2019年的 18位获奖者中（2011和2012年空缺），有旋量理论大师，高被引(引次两万以上)3位，美国白宫顾问，Journal of Mechanisms and Robotics, Trans. ASME 创刊总编，机械设计专家，流体力学专家，机电系统专家，机械摩擦学专家，精密机械专家，智能驱动控制专家，柔顺机构集大成者（Howell，总引次一万五），Wearable Technologies创刊主编（Agrawal，总引次一万五），100项美国专利的纳米制造专家（Sreenivasan，总引次一万五），Mechanism and Machine Theory 前任主编，机器人机构早期创始人（Uicker），Robotica现任主编（Chirikjian，总引次一万五）。
这些获奖者一生都痴迷于他们钟爱的学术领域，不乏如马克 · 吐温说的那样“一个有新想法的人在成功之前是个怪人”。他们为我们这个世界作出了卓越的贡献。
2 戴建生教授的学术成就
戴建生教授1982年毕业于上海交通大学机械系，1984年获硕士学位；1985年任讲师。1989年赴英国留学，1993年获哲学博士学位。曾任ASME英国及爱尔兰区主席，现为IFToMM英国区主席。现为美国电子电气工程师学会（IEEE）Fellow，美国机械工程师学会（ASME）Fellow，英国皇家艺术学会（RSA）Fellow，英国机械工程院（IMechE）Fellow，英国皇家宪章特许终身工程师。
戴建生长期从事理论运动学、机构学与机器人学的基础理论与应用研究，在国内外发表学术论文600余篇，其中国际期刊论文400余篇，其中 SCI 收录期刊论文逾 350余篇，专利30余项。SCI h-指数 55，引用逾12000。出版专著 10余部，含2014年出版、2018年再版的在高等教育出版社 ‘机器人科学与技术丛书’ 系列中出版的《机构学与机器人学几何基础与旋量代数》；2014年出版、2020年再版的在高等教育出版社品牌系列 ‘现代数学基础’ 丛书中出版的《旋量代数与李群李代数》；2020年由高等教育出版社出版在‘机器人科学与技术丛书’ 系列中出版的《可重构机构与可重构机器人——分岔演变的运动学分析、综合及其控制》，以及2020年由斯普林格在高级机器人系列（STAR）中出版的《Screw Algebra and Kinematics Approaches for Mechanisms and Robotics》。
除了 2020年获得的ASME机械设计终身成就奖，戴建生教授在 2015年，被授予“2015 ASME 机构学与机器人学终身成就奖”。该奖项是授予在机构与机器人基本理论、设计与应用上有突出终身贡献的工程师与科学家。颁奖辞为：戴教授在理论上、机构创新上、应用上以及行业服务上对可重构机构领域作出了创造性的巨大的贡献，并产生了持久性的影响；同时他揭示了旋量系关联关系，展示了约束变更及其对机构可重构的影响，并建立了自由度分析方法。
戴建生教授还获得多项国际期刊最佳论文奖、国际会议最佳论文奖，以及ASME杰出服务奖、伦敦国王学院 “2010年度最佳博士生指导教师全校首名奖”和中国机构学学会 “2012 学术创新奖” 与 “2012 国际学术交流奖”等奖项。
迄今为止，戴教授已培养博士40余名，其中10余位在中国、英国、美国、意大利、澳洲、墨西哥等一流大学任教，10余位在世界各地含中国、意大利、英国、新加坡与墨西哥创办机器人高新科技公司。
3 戴建生教授的开创性工作
3.1 可重构机构与机械设计的可重构
戴建生教授的工作改变了工程师解决机器设计问题的方式，开创了可重构机械设计的新范式，使具有多功能和可变拓扑的机械系统成为可能。通常，每个机构都有固定的拓扑结构和活动度。在需求不断变化的情况下，机构需要为适应某些需求而改变活动度和拓扑结构，以生成各种轨迹来执行所需的任务。这给机械设计、建模和性能分析都带来了挑战。戴建生的开拓性研究解决了可变需求的挑战，并开创了可重构机构领域和变胞机构子领域。这样一来，机构可拥有变拓扑和变活动度，并通过约束奇异性在构型空间创建各种不同的运动分支，且每个单一运动分支都具有相应的拓扑结构和活动度。这将产生具有多功能的机器或机器人，从而实现节能、经济和高效的目标。
戴建生的工作起源于20世纪90年代后期，当时他提出了一类新机构（Metamorphic Mechanisms ，称为变胞机构），该类机构可通过几何约束和关节属性的变化来改变运动过程中的活动度和拓扑结构。他的相关论文被授予了“1998 ASME机构学双年度最佳论文”，该论文被引用了逾500次，并被Mruthyunjaya教授在回顾100多年机构运动研究的论文《Kinematic Structure of Mechanisms Revisited》中评价为“为应用机构理论实现设计创新开辟了新途径”。从那时起，戴建生一直致力于该领域的开发与发展，开发了机构演变的拓扑表示，构建了许多新机构，开启了包括医疗保健、制造和机器人在内的多个应用领域。他与合作者利用生物进化发展了增强的Assur杆组来研究构建变胞机构的基本结构，并为变胞机构的机构综合开发了一种形态学方法。他进一步与学生一起设计了用于构建可重构机构的可重构虎克铰（rT）和可变轴关节（vA），从而扩展了机器的可重构性。
他的工作进一步演化为可重构机构设计和发展的范式，并发展了可重构并联机构、可重构单闭环机构、可重构机构网格和可重构机器人。戴建生通过促进可重构机构的设计范式以及此类新机构的发展和应用，自2000年以来一直引领着可重构机构和可重构机器人的全球研究。戴建生通过发表论文、受邀主题演讲和访问研究，鼓舞并支持该领域的研究人员发展各种可重构机构以满足多功能性和适应性的需求。他于2009年发起了享有盛誉的ASME / IEEE可重构机构和机器人系列国际会议（ReMAR），第一届会议于2009年在英国伦敦举行，第二届于2012年在中国天津举行，第三届于2015年在中国北京举行，第四届于2018年在荷兰代尔夫特大学举行，第五届将于2021在加拿大多伦多举行。
戴建生在世界上的开拓性工作得到了国际社会的广泛认可。他被中国机械工程学会中国机构委员会授予了“ 2012 CMES机构创新奖”（2012 CMES Mechanism Innovation Award），被ASME机构与机器人委员会授予了“ 2015 ASME 机构学与机器人学终身成就奖”（2015 ASME Mechanisms and Robotics Award），并于2017年被电气与电子工程师协会提升为IEEE Fellow，颁奖辞为：“为机器人技术中的可重构机构和变胞机构作出了巨大贡献”。
3.2 折纸工程，临床应用和机械设计的交叉学科中变胞机构的演变
除了在变胞和可重构机构方面的开创性工作之外，戴建生教授还是折纸机构的研究先驱。变胞机构的启示是从1996年提出折纸等效机构后出来的并演化成用于机械设计的折纸工程。他在1998年获奖的关于可折叠/可变形的变胞机构的论文中首次提出了折纸机构的新概念，即折纸纸盒可等效为机构且折纸纹路可等效为机构网格。他的工作通过提供基于机构演化原理的运动学建模和搜索算法，并将工作扩展到折纸包装操作和包装机，从而应对了机构创新和多功能性方面的挑战。受折纸启发的机构的研究工作是一项跨学科的工作，戴建生将其称为“仿艺术”，即模仿艺术品的性能和特征，从中提取机构的想法，从而发现新的机构和可重构机构。
戴建生是机构和机器人研究领域中多个研究方向的先驱。他的开创性工作之一是在脚踝康复机器上使用冗余驱动并联机构。与Girone使用全自由度Stewart平台踝关节康复不同，戴建生在20世纪90年代后期的工作是使用少活动度的并联机构进行踝关节康复，利用所需要活动度和冗余控制来节省成本和能源。他在2004年发表的有关基于机器人康复设备的机构综合和刚度分析的踝关节扭伤理疗的论文被引用了150多次，被许多研究人员使用。这促使了用于脚踝康复的机器人设备的发展，其中伦敦国王学院采用了气驱动并联机构，被许多发明专利所引用。戴建生带领学生在意大利理工学院进一步在生物机电一体化领域采用了可变刚度驱动。 戴建生与学生Jody SAGLIA博士（后来成为团队负责人，并与其他同事共同创立了 Movendo Technology 新科技公司）的这一成果成功申请并获得了了美国专利。该机器人于2013年用于临床试验，并获得了意大利工伤赔偿局（INAIL）对于下肢康复基础研究一千万欧元的资助。该产品（也为 SAGLIA 博士论文成果）已在YouTube上发布。并联机构在下肢康复中的使用和潜力使得 Movendo 公司的商业活动扩展到了其他欧洲国家和美国市场，并计划在5年内出售数千台下肢康复产品，占据5％的全球市场份额。
戴建生在医疗保健机械装置方面的研究工作帮助他另一位学生邱晨博士与其同事在新加坡成立了 AiTreat Pte Ltd 公司。该公司是由 NTUitive 孵化的新加坡高科技初创公司，其核心技术来自戴建生与该学生及其合伙人的工作，通过设计和集成辅助医疗机器人以协助医生/医师为患者提供医疗服务。戴建生的用于可穿戴机器人新颖设计的可重构机构和下肢康复技术还帮助他的一位学生 Ernesto Rodrigues-Leal 博士在墨西哥成立了WeaRobot Corp公司，Rodrigues-Leal 博士是运动辅助和康复的唯一创始人。WeaRobot Corp公司赢得了2016年世界杯技术挑战赛机器人和AI组冠军，2016年在SXSW举行的 MIT Hacking Medicine Pitch Competition中 赢得冠军，同年在 Venture by Chivas Regal Mexico 中夺得冠军。
戴建生一直以对工业有用的方式积极推进机械设计研究。自1995年以来，他一直是与美国的专业工程师（PE）相当的特许工程师（CEng），并将他的工作扩展到机器人设计、食品包装、制造和医疗保健的应用和实践中。他从事英国航空BAe 146飞机系统更新，联合利华香料包装生产线自动化，乐高系统A / S（丹麦）的组装设备设计改进以及糖果包装生产线自动化方面的工作。他开发了具有可重构手掌的变胞多指手，该手掌已获得专利。在15年的多指手研究历程中，已经开发了五代多指手，并已在多个国家研究项目和欧洲研究项目中用于牛肉去骨和操纵关节式物体。这些应用和实践包括具有可重构躯干的变胞爬行机器人，可适应不同的地形和各种环境以及可执行折叠和展开的动作。这些成果成为他的学生成立大寰科技有限公司和大然机器人有限公司的关键基础。
3.3 用于机械设计的有限位移旋量和活动度基础理论
戴建生教授同时致力于基础理论研究，发展了用于机械设计的有限位移旋量和旋量系方法。他在20世纪90年代初期的研究工作为有限位移旋量的基础理论作出了贡献，如他在90年代初的有限位移旋量工作可用于机器人手腕和机械手的直接设计。他于2001年发表的关于旋量系统之间相互关系的论文可用于指导机械设计中的约束系统研究。他于2002年在英国皇家学报上发表和2003年在高影响因子机器人期刊Journal of Robotic Systems上发表的“互易旋量新算法的研究”可用于揭示机构设计中的几何约束；2004年、2006年，他的研究进一步揭示了并联机构和过约束机构中的活动度和各种旋量系；他于2012年在ASME JMR以独立作者发表了关于具有Chasles运动的有限位移旋量运算子，2015年在Mechanism and Machine Theory 以独立作者发表了Euler-Rodrigues公式变异、四元数共轭及其内在联系的研究论文，促使了变胞机构和可重构机构基础理论的发展。
戴建生的理论研究工作成就了他的3部具有全球性指导意义的著作和600多篇论文，并为具有多分支、可变活动度的可重构机构的发展作出了巨大贡献。
3.4工程教育和行业工作
戴建生对机械设计的热情在教育中也很明显。他获得了伦敦国王学院颁发的享有声望的“2010 Overall Supervisory Excellence Award”（3000教职中只评选出一名），以表彰研究人员对学生的出色指导和支持。他已培养40余位博士，其中10名在中国、美国、英国、意大利、澳大利亚和墨西哥的一流大学中担任教职，另外10名成立了高科技创业公司，负责开发用于医疗保健、救援、教育和医疗的设备和机器人。他的教学活动和影响力也超出了伦敦国王学院的范围，应邀前往法国、意大利、希腊、中国、巴西和日本出席国际学术会议、演讲、主题报告和大会报告。
戴建生对机器设计的热情在他对年轻研究人员的指导和支持中更加明显。Mike McCarthy 教授给出了感人的评价：“我非常感谢您指导和影响了全球许多年青研究人员”。
戴建生一直致力于专业服务。自1992年参加第22届ASME两年期机构学会议以来，戴建生曾多次担任ASME机构学和机器人学会议的论文审稿人、会议主席、专题讨论会主席和大会主席，并活跃于机构学和机器人学委员会以及机构学和机器人学领域。
在2004年至2010年期间，戴建生是ASME机构学和机器人学技术委员会的委员，并担任过几次ASME机构学和机器人学技术会议以及ASME / IEEE会议联合主席。在2009年和2012年，他发起并主持了全球享有盛誉的第一届和第二届ASME / IEEE可重构机构和机器人国际会议（ReMAR），该会议头两届分别在伦敦和天津成功举行，后两届在北京、荷兰召开，第五届将在多伦多召开，且其会议论文被EI Compendex全部收录。他的工作开创了可重构机构领域，并启发了世界上许多研究人员，包括在法国和澳大利亚建立了可重构机构学硕士生项目。
2012年，戴建生担任第36届ASME机构学和机器人学会议的会议主席，并于2011年和2012年担任M＆R评奖委员会委员，并于2006年和2010年担任ASME机构学和机器人学会议论文奖委员会成员。自2009年至2017年一直是 Journal of Mechanisms and Robotics, Trans. ASME 的创刊副主编，自2016年以来一直担任 Mechanism and Machine Theory 的学术方向主编，主要负责理论运动学、并联机构和变胞机构学术方向；2018年以来是 ASME Journal of Mechanical Design 副主编，2010年至2014年间担任IEEE Transactions on Robotics 副主编，2006年至2014年期间担任 Robotica 副主编，自2012年以来担任 Journal of Mechanical Engineering Science 的副主编。
此外，戴建生是ASME英国和爱尔兰分会的重要成员，并于2008年至2010年担任副主席，于2010年至2012年担任主席；是 IFToMM 英国区主席。为促进国际学术交流作出了杰出的贡献。
附件1为ASME机械设计终身成就奖 (1959-2020)的获奖者的成就。
附件2为戴建生教授61篇代表性著作与论文。