暢游湖海的仿生機(jī)器魚

趙清竹

據(jù)悉，經(jīng)過上億年進(jìn)化的魚類在推進(jìn)效率、靈活性、可操縱性等方面，具有超越任何人造水面和水下運(yùn)載器的優(yōu)越性，一直為仿生科學(xué)家所關(guān)注。

目前，許多先進(jìn)國(guó)家都十分重視魚形機(jī)器人的研究，美國(guó)和日本都在這一領(lǐng)域取得了重要成果。日本三菱重工就研發(fā)出用于觀賞的機(jī)器魚，市場(chǎng)售價(jià)達(dá)到每條1000美元。中國(guó)的一些科研單位也致力于相關(guān)的研究。2008年年初，北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所和中國(guó)科學(xué)院研制名為SPC-II仿生機(jī)器魚終于成功，而這條特殊的“大魚”也成了我國(guó)第一條可實(shí)際應(yīng)用的仿生機(jī)器魚。

在大風(fēng)大浪中安然行進(jìn)

SPC-II仿生機(jī)器魚身長(zhǎng)1，23米，通體色澤亮黑，總重40公斤，最大下潛深度為5米。頭部上方一個(gè)顯眼的白色圓頂GPS導(dǎo)航天線，主要是通過一個(gè)如手掌大的小遙控器和一臺(tái)計(jì)算機(jī)來發(fā)出各種指令。機(jī)器魚沒有眼睛和嘴，只是在嘴的位置有一個(gè)直徑5厘米的玻璃圓孔，那是水下攝像的窗口。SPC-II仿生機(jī)器魚可以自由靈活地穿波逐浪，載沉載浮。

負(fù)責(zé)“SPC-II仿生機(jī)器魚”項(xiàng)目研究的北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所所長(zhǎng)王田苗說，這條機(jī)器魚由動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)、圖像采集和圖像信號(hào)無線傳輸系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)指揮控制平臺(tái)三部分組成，主要制造材料為玻璃鋼和纖維板；它的最高時(shí)速可達(dá)1，5米／秒，能在水下連續(xù)工作2～3小時(shí)。

經(jīng)過反復(fù)研究和調(diào)試，機(jī)器魚已經(jīng)可以完成魚游動(dòng)的基本姿態(tài)，其游動(dòng)速度比人們想象的要快很多。在平靜的水中，它能以每小時(shí)2～3海里的速度向前游動(dòng)(1海里為1852米)，也就是說，機(jī)器魚平均航速可以達(dá)到每小時(shí)4公里左右，約為每秒1，4米，與魚類巡游的速度基本相同。雖然比起魚類逃命時(shí)的速度來說要差很多，但機(jī)器魚每秒能游1，4米已經(jīng)很了不起了。機(jī)器魚使用鎳氫電池，能在水下連續(xù)工作兩三個(gè)小時(shí)，如果用每小時(shí)4公里的航速計(jì)算，機(jī)器魚能夠持續(xù)游大約10公里。

據(jù)科研人員說，仿生機(jī)器魚不但能夠在游泳池這種平靜的水中游動(dòng)，還能夠在大風(fēng)大浪中行進(jìn)。此前，機(jī)器魚曾在北戴河做過一次下海測(cè)試。實(shí)驗(yàn)當(dāng)天，海上刮著4～6級(jí)的大風(fēng)，浪高有0，4米～0，6米。由于風(fēng)大浪高，科研人員沒有完全放開機(jī)器魚，而是拴上了一根漁線。

他們以海面上的一個(gè)燈塔作為目標(biāo)，把數(shù)據(jù)傳給機(jī)器魚。機(jī)器魚一下水，就穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)向著燈塔的方向游去，雖然海浪比較大，但機(jī)器魚隨波逐流，航向絲毫沒有錯(cuò)誤。下水時(shí)間持續(xù)了一個(gè)半小時(shí)，機(jī)器魚共游了3公里多。

“訪問”鄭成功古戰(zhàn)艦遺址

機(jī)器魚最露臉的一次是，科學(xué)家使用它對(duì)福建東山縣海域鄭成功古戰(zhàn)艦遺址進(jìn)行了水下考古探測(cè)試驗(yàn)，這是我國(guó)考古工作者首次利用機(jī)器人輔助水下考古工作。

在為期兩天的實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)器魚共對(duì)4000平方米的水域進(jìn)行了攝像考察，水下工作時(shí)間累計(jì)約6小時(shí)。在探測(cè)中，機(jī)器魚被完全松了綁，只靠岸上科研人員的指令作業(yè)。機(jī)器魚體內(nèi)裝上了一臺(tái)攝像機(jī)，攝像機(jī)鏡頭對(duì)著魚頭的玻璃圓孔。圖像信號(hào)通過“魚”身上一條長(zhǎng)長(zhǎng)的電纜，先被送到浮在水面上的發(fā)射器中，再無線傳到岸上的圖像接收系統(tǒng)。這樣，考古人員就可以看到實(shí)況轉(zhuǎn)播了。

在岸上，通過一臺(tái)計(jì)算機(jī)和一個(gè)數(shù)字電臺(tái)，技術(shù)人員把諸如前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、上浮、下潛的指令傳到機(jī)器魚體內(nèi)的計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)則按指令控制機(jī)器魚做出相應(yīng)的動(dòng)作。在研究人員的操縱下，機(jī)器魚多次快速、靈活地接近目標(biāo)，從不同角度進(jìn)行拍攝錄像，供正在鄭成功古戰(zhàn)船遺址現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行水下考古的專家及工作人員下一步考察研究使用。考古工作者對(duì)此非常滿意。

國(guó)家博物館水下考古學(xué)研究中心負(fù)責(zé)人表示，該機(jī)器魚航行速度能滿足水下考古探測(cè)要求，操作簡(jiǎn)便，靈活性好，對(duì)環(huán)境擾動(dòng)和破壞性小，可以提高工作效率，降低潛水員風(fēng)險(xiǎn)。

給機(jī)器魚裝個(gè)“頭腦”

SPC-II仿生機(jī)器魚的誕生是各學(xué)科技術(shù)共同作用的結(jié)果。流體力學(xué)、固體力學(xué)、機(jī)械工程學(xué)、自動(dòng)控制、材料科學(xué)等都要用到，哪個(gè)方面的問題解決不好，機(jī)器魚就不能自如地游起來。

魚身上有很多關(guān)節(jié)，大腦和神經(jīng)控制著關(guān)節(jié)的動(dòng)作。在機(jī)器人技術(shù)上，“關(guān)節(jié)”的運(yùn)動(dòng)由電機(jī)完成，大腦是計(jì)算機(jī)，神經(jīng)是電纜。如果要完全按照魚的樣子模仿，那機(jī)器鳥或機(jī)器魚需要多少臺(tái)電機(jī)?如果每個(gè)電機(jī)再附加上控制動(dòng)作的電腦和傳輸線，這樣的工程量有多巨大?可想而知。

力學(xué)在研制機(jī)器魚上非常重要，有一點(diǎn)不符合力學(xué)原理，魚就游不起來。曾一度，機(jī)器魚的尾巴雖然擺起來了，但頭也跟著一起亂晃，機(jī)器魚在水中渾身亂抖，寸步難移。

最初，科研人員設(shè)計(jì)的魚尾就像真魚一樣——魚身后面有一段尾柄，尾柄最后端是尾鰭。真魚的尾柄上有一些關(guān)節(jié)，機(jī)器魚尾柄內(nèi)也相應(yīng)安排了幾個(gè)電機(jī)，科研人員讓幾個(gè)電機(jī)依次運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器魚尾產(chǎn)生抽甩的力量，給魚提供前進(jìn)動(dòng)力。可由于電機(jī)太多，魚尾的重量與魚頭接近，這就打破了推進(jìn)力的有效性。最后，研究人員想出了去掉尾柄減輕重量的辦法，可是只留尾鰭又產(chǎn)生新的問題，這就是如何保證機(jī)器魚要轉(zhuǎn)彎時(shí)，尾鰭既能保持方向，又能擺動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)力。當(dāng)然，問題最后還是解決了。

解決此問題之后，科研人員又被另一個(gè)問題所困擾著。嚴(yán)格地講，目前的機(jī)器魚還是一條“低等級(jí)”的“魚”，其動(dòng)作全部來自于技術(shù)人員的指令，它自己無法根據(jù)周圍環(huán)境做出反應(yīng)；而且必須給它裝上聲納設(shè)備，用聲納探測(cè)周圍環(huán)境，讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理搜索回的數(shù)據(jù)，再指令機(jī)器魚做出相應(yīng)的動(dòng)作，機(jī)器魚才會(huì)變成一條“有頭腦”的魚。如果這樣，機(jī)器魚就可以游到人類無法進(jìn)入的水道進(jìn)行探測(cè)。據(jù)介紹，這個(gè)技術(shù)條件完全可以實(shí)現(xiàn)，只是成本非常高。

中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所副所長(zhǎng)譚民表示，經(jīng)過進(jìn)一步完善，魚形機(jī)器人不僅可以用于水下考古、水中攝影、探查狹窄水道、測(cè)繪海底地形地貌，還可進(jìn)行水中養(yǎng)殖和捕撈，并作為水下微小型運(yùn)載工具，在搶險(xiǎn)搜救等工作中發(fā)揮重要作用。科研人員還表示，如果ＳＰＣ—II仿生機(jī)器魚的技術(shù)完全成熟，那么，未來的潛水艇就有可能擺脫螺旋槳推進(jìn)的方式，以更接近于魚類的方式在水下運(yùn)動(dòng)。