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，而是一條條機器魚，這是中科院自動化研究所的研究人員正在做的機器魚實驗。他們在考慮如何進一步改進控制算法，使仿生魚完美地呈現(xiàn)魚的游動形態(tài)。

魚類游動帶來的科技靈感

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

自然界的魚類，經(jīng)過億萬年的自然進化，發(fā)展出令人驚異的水中游動技能。憑借優(yōu)異的生理結(jié)構(gòu)和非凡的游動技能，魚類既能夠高效率地持久巡游，也能夠爆發(fā)式地起動轉(zhuǎn)向。魚類游動的高效率、高機動等特征，都遠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)、功能及運動機理，能為人工系統(tǒng)提供新的設(shè)計思想和控制理念，是提高人工系統(tǒng)性能的有效途徑，也是機器人研究領(lǐng)域的一項重要內(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。

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

仿生機器魚具有機動性能強、噪聲低、擾動小及隱蔽性好等優(yōu)點。而這恰恰符合人們對新一代自主水下航行器應(yīng)兼具機動性、高速性、隱蔽性及低擾動性于一體的需求。為此，科學家們正嘗試從生物學、力學、機械學、人工智能等各個角度來探索魚類高性能水下推進的機制，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)螺旋槳推進的水下航行器相比，機器魚實現(xiàn)了推進器與舵的統(tǒng)一，從而更加適合在狹窄、復雜和動態(tài)的水下環(huán)境中進行監(jiān)測、搜索、勘探及救援等作業(yè)。

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

高機動機器魚

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

兩棲機器魚

兩棲機器魚，是面向陸地及水下兩棲環(huán)境執(zhí)行任務(wù)的仿生機器魚，它是一種能在復雜水陸環(huán)境中工作的機器人系統(tǒng)，在民用和軍事領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景。兩棲機器魚以仿魚推進技術(shù)為基礎(chǔ)，輔以輪、槳、鰭等復合推進機構(gòu)，兼具快速游動性能、強大的環(huán)境感知功能及良好的水陸環(huán)境適應(yīng)能力。在水中，兩棲機器魚能夠有效利用四關(guān)節(jié)魚體的擺動實現(xiàn)仿魚式推進運動;而陸地上，兩棲機器魚則能夠利用輪式機構(gòu)，實現(xiàn)像車一樣的快速前進。此外，該兩棲機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，從而自主切換運動方式，更好地適應(yīng)環(huán)境，執(zhí)行任務(wù)。

高仿真機器錦鯉

高仿真錦鯉機器魚的外形，幾乎能夠以假亂真。實際上，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)部利用三個舵機的反復轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)魚體關(guān)節(jié)的左右擺動。由于在機器魚的頭部安裝有控制板、電池及通信設(shè)備等，因此，該機器魚能夠根據(jù)人們發(fā)送的命令完成變速游動、轉(zhuǎn)向等動作。此外，該機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，該機器魚已在較多的科技館進行過表演，并與觀眾互動，起到了較好的科普教育作用。

長鰭波動機器魚

長鰭波動機器魚以海洋中的鰩魚為仿生對象，利用兩側(cè)長鰭的波動產(chǎn)生有效的推進力來游動。長鰭魚的兩側(cè)分布有鰭條，能夠按照正弦規(guī)律帶動鰭面波動。根據(jù)兩側(cè)鰭面的對稱及非對稱波動，長鰭魚能夠?qū)崿F(xiàn)前游、倒游、轉(zhuǎn)向、浮潛等動作。與前述仿生機器魚相比，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、抗干擾能力強等優(yōu)點，適合水下作業(yè)等應(yīng)用。

不過，水下仿生機器人專家還面臨一個重要的難題：生物學家還沒有完全揭示魚類高性能游動的機理。因此，未來的仿生機器魚研究，還將在實現(xiàn)高速度、高機動及高效率的運動性能上下苦功。