水中精靈

吳正興

清澈的水池里，幾條小魚在歡快嬉戲。在水池一側(cè)，幾位博士正緊張地盯著屏幕上的數(shù)據(jù)和程序，隨著魚兒游來游去，不斷調(diào)整著各類編程代碼。原來水池里歡快的小魚并非真魚，而是一條條機(jī)器魚，這是中科院自動(dòng)化研究所的研究人員正在做的機(jī)器魚實(shí)驗(yàn)。他們在考慮如何進(jìn)一步改進(jìn)控制算法，使仿生魚完美地呈現(xiàn)魚的游動(dòng)形態(tài)。

魚類游動(dòng)帶來的科技靈感

隨著科技的蓬勃發(fā)展和經(jīng)濟(jì)、軍事等領(lǐng)域應(yīng)用需求的拉動(dòng)，仿生機(jī)器學(xué)越來越受到關(guān)注。而在水下仿生領(lǐng)域，針對魚類和海豚類等水生動(dòng)物的仿生推進(jìn)研究，也是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)之一。

自然界的魚類，經(jīng)過億萬年的自然進(jìn)化，發(fā)展出令人驚異的水中游動(dòng)技能。憑借優(yōu)異的生理結(jié)構(gòu)和非凡的游動(dòng)技能，魚類既能夠高效率地持久巡游，也能夠爆發(fā)式地起動(dòng)轉(zhuǎn)向。魚類游動(dòng)的高效率、高機(jī)動(dòng)等特征，都遠(yuǎn)超目前各種人造水下航行器。

借鑒生物體的形態(tài)結(jié)構(gòu)、功能及運(yùn)動(dòng)機(jī)理，能為人工系統(tǒng)提供新的設(shè)計(jì)思想和控制理念，是提高人工系統(tǒng)性能的有效途徑，也是機(jī)器人研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重要內(nèi)容。因此，國內(nèi)外的科研人員關(guān)注魚類的形態(tài)結(jié)構(gòu)及游動(dòng)方式，希望能夠借鑒到水下航行器的研制中，提高水下航行器的性能。

那么仿生機(jī)器魚是如何模仿魚類在水下運(yùn)動(dòng)的呢？在對魚類的結(jié)構(gòu)及其推進(jìn)方式的運(yùn)動(dòng)分析的基礎(chǔ)上，科學(xué)家們綜合運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)、電子技術(shù)、自動(dòng)控制等多學(xué)科知識，通過控制魚體和魚鰭按照一定的規(guī)律進(jìn)行拍動(dòng)或波動(dòng)運(yùn)動(dòng)，可在水下形成特定的渦流流場并產(chǎn)生推力，實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器魚的推進(jìn)。而通過調(diào)整魚體或魚鰭的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器魚的轉(zhuǎn)彎、倒退、浮潛等機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

仿生機(jī)器魚具有機(jī)動(dòng)性能強(qiáng)、噪聲低、擾動(dòng)小及隱蔽性好等優(yōu)點(diǎn)。而這恰恰符合人們對新一代自主水下航行器應(yīng)兼具機(jī)動(dòng)性、高速性、隱蔽性及低擾動(dòng)性于一體的需求。為此，科學(xué)家們正嘗試從生物學(xué)、力學(xué)、機(jī)械學(xué)、人工智能等各個(gè)角度來探索魚類高性能水下推進(jìn)的機(jī)制，并希望能夠借鑒到水下航行器的研制中。

多種多樣的水中精靈

與基于傳統(tǒng)螺旋槳推進(jìn)的水下航行器相比，機(jī)器魚實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)器與舵的統(tǒng)一，從而更加適合在狹窄、復(fù)雜和動(dòng)態(tài)的水下環(huán)境中進(jìn)行監(jiān)測、搜索、勘探及救援等作業(yè)。

1994年，美國麻省理工學(xué)院成功研制出世界上第一條真正意義的仿生機(jī)器魚——仿生金槍魚（RoboTuna）。隨后，越來越多的科研機(jī)構(gòu)開始關(guān)注并研究仿生機(jī)器魚。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1995年到2015年，尤其是近十年間，機(jī)器魚及機(jī)器海豚的研究成果大幅增加，研究內(nèi)容也涉及推進(jìn)機(jī)理、運(yùn)動(dòng)控制、多傳感器信息處理等多個(gè)方面。下面為大家簡單介紹幾種仿生機(jī)器魚系統(tǒng)。

高機(jī)動(dòng)機(jī)器魚

高機(jī)動(dòng)機(jī)器魚是以追求高靈活性和高機(jī)動(dòng)性為目標(biāo)的仿生機(jī)器魚。它能夠模仿魚類的C形起動(dòng)和S形起動(dòng)等行為，實(shí)現(xiàn)快速的起動(dòng)轉(zhuǎn)向，例如快速的45°、90°、180°等C形轉(zhuǎn)向及靈活的左右扭動(dòng)。根據(jù)機(jī)器魚內(nèi)置的陀螺儀傳感器，測得它的最快平均轉(zhuǎn)向速度達(dá)到460°/s，峰值速度達(dá)到672°/s，是目前國際已經(jīng)報(bào)道過的同類科研成果中轉(zhuǎn)向速度最快的仿生機(jī)器魚。

兩棲機(jī)器魚

兩棲機(jī)器魚，是面向陸地及水下兩棲環(huán)境執(zhí)行任務(wù)的仿生機(jī)器魚，它是一種能在復(fù)雜水陸環(huán)境中工作的機(jī)器人系統(tǒng)，在民用和軍事領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景。兩棲機(jī)器魚以仿魚推進(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ)，輔以輪、槳、鰭等復(fù)合推進(jìn)機(jī)構(gòu)，兼具快速游動(dòng)性能、強(qiáng)大的環(huán)境感知功能及良好的水陸環(huán)境適應(yīng)能力。在水中，兩棲機(jī)器魚能夠有效利用四關(guān)節(jié)魚體的擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)仿魚式推進(jìn)運(yùn)動(dòng);而陸地上，兩棲機(jī)器魚則能夠利用輪式機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)像車一樣的快速前進(jìn)。此外，該兩棲機(jī)器魚安裝有液位探測器，能夠分辨所處環(huán)境是陸地環(huán)境還是水下環(huán)境，從而自主切換運(yùn)動(dòng)方式，更好地適應(yīng)環(huán)境，執(zhí)行任務(wù)。

高仿真機(jī)器錦鯉

高仿真錦鯉機(jī)器魚的外形，幾乎能夠以假亂真。實(shí)際上，它美麗的外皮采用柔軟的硅膠皮制作，能夠起到較好的防水效果。而魚體內(nèi)部利用三個(gè)舵機(jī)的反復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)魚體關(guān)節(jié)的左右擺動(dòng)。由于在機(jī)器魚的頭部安裝有控制板、電池及通信設(shè)備等，因此，該機(jī)器魚能夠根據(jù)人們發(fā)送的命令完成變速游動(dòng)、轉(zhuǎn)向等動(dòng)作。此外，該機(jī)器魚的雙眼采用紅外傳感器制作，能夠感應(yīng)到障礙物而快速躲開。目前，該機(jī)器魚已在較多的科技館進(jìn)行過表演，并與觀眾互動(dòng)，起到了較好的科普教育作用。

長鰭波動(dòng)機(jī)器魚

長鰭波動(dòng)機(jī)器魚以海洋中的鰩魚為仿生對象，利用兩側(cè)長鰭的波動(dòng)產(chǎn)生有效的推進(jìn)力來游動(dòng)。長鰭魚的兩側(cè)分布有鰭條，能夠按照正弦規(guī)律帶動(dòng)鰭面波動(dòng)。根據(jù)兩側(cè)鰭面的對稱及非對稱波動(dòng)，長鰭魚能夠?qū)崿F(xiàn)前游、倒游、轉(zhuǎn)向、浮潛等動(dòng)作。與前述仿生機(jī)器魚相比，長鰭魚雖然速度較慢，靈活性差，但是在低速場合具有穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適合水下作業(yè)等應(yīng)用。

不過，水下仿生機(jī)器人專家還面臨一個(gè)重要的難題：生物學(xué)家還沒有完全揭示魚類高性能游動(dòng)的機(jī)理。因此，未來的仿生機(jī)器魚研究，還將在實(shí)現(xiàn)高速度、高機(jī)動(dòng)及高效率的運(yùn)動(dòng)性能上下苦功。