張鳴宇，李 峰，周 鵬

（北京海鷹科技情報(bào)研究所，北京 100074）

1 引 言

仿生推進(jìn)無人潛航器，是以水生生物為模仿對(duì)象，綜合了流體動(dòng)力學(xué)、仿生學(xué)、導(dǎo)航控制、機(jī)械結(jié)構(gòu)、電子、拓?fù)鋵W(xué)和圖像處理等多個(gè)學(xué)科，實(shí)現(xiàn)游動(dòng)方式仿生的無人潛航器。

相比常規(guī)無人潛航器采用的螺旋槳或葉輪推進(jìn)，仿海洋生物游動(dòng)推進(jìn)的潛航器，具有明顯優(yōu)勢：第一，推進(jìn)效率較高、能耗較低，克服了螺旋槳推進(jìn)在產(chǎn)生推力的同時(shí)還產(chǎn)生的無用扭矩；第二，噪音較小，不易被發(fā)現(xiàn)；第三，結(jié)構(gòu)尺寸和重量小，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)。因此，在海洋資源勘探、考古、污染源追蹤等民用領(lǐng)域和水下攻擊、偵察和掃雷等軍用領(lǐng)域均可發(fā)揮重要的作用［1-3］。

鑒于無人潛航器仿生推進(jìn)技術(shù)的重要作用，國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)開展了多年研究，做了眾多仿蝠鲼、仿烏賊、仿龍蝦、仿海龜?shù)炔煌瑵摵狡鳂訖C(jī)試驗(yàn)，同時(shí)也在全球范圍內(nèi)布局了部分專利。為全面掌握無人潛航器仿生推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展趨勢和專利布局情況，本文基于Patsnap專利數(shù)據(jù)庫，開展了全面檢索和逐一篩選，共篩選出625 項(xiàng)直接相關(guān)專利。

2 專利申請(qǐng)趨勢

無人潛航器仿生推進(jìn)技術(shù)的專利申請(qǐng)狀況可以分為三個(gè)階段：第一階段是20世紀(jì)90年代中期以前，主要側(cè)重于仿生推進(jìn)基礎(chǔ)理論方面的研究和純機(jī)械式游動(dòng)設(shè)計(jì)；第二階段是90年代中后期至2010年，伴隨著自動(dòng)化、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、新型材料技術(shù)的進(jìn)步，人們開始了真正意義上的仿生推進(jìn)無人潛航器的研制，專利申請(qǐng)緩慢增長，年申請(qǐng)量大多不超過20件；第三階段是2011年至今，專利申請(qǐng)呈迅速增長態(tài)勢，特別是由2014年的58件、2015年的59 件，到2016年暴發(fā)性增長為123 件，如圖1所示。由于近兩年的部分專利申請(qǐng)尚未公開，統(tǒng)計(jì)不完全，實(shí)際申請(qǐng)量更多。

無人潛航器仿生推進(jìn)最早可追溯于1933年，由美國專利商標(biāo)局受理的專利US1928418，申請(qǐng)人為Charles Garland，但受限于當(dāng)時(shí)科技發(fā)展，技術(shù)方案僅用純機(jī)械傳動(dòng)，未采用電機(jī)或柔性致動(dòng)等現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)控制手段，僅用于淺海短距離航行。

圖1 全球?qū)＠暾?qǐng)趨勢圖Fig.1 Global patent application trend chart

表1 專利申請(qǐng)情況表Table1 Table of patent application situation

圖2 第一件仿生機(jī)器魚專利US1928418附圖Fig.2 First bionic robotic fish patent

圖3 仿金槍魚潛航器實(shí)物圖Fig.3 Real object of biomimetic tuna unmanned underwater vehicle

第一件真正意義的仿生推進(jìn)無人潛航器專利US5740750 由麻省理工學(xué)院水下機(jī)器人研究所Triantafyllou Michael團(tuán)隊(duì)于1996年申請(qǐng)。通過多年仿生機(jī)理基礎(chǔ)研究和金槍魚的游動(dòng)實(shí)驗(yàn)，成功研制了世界上第一條真正意義上的仿生機(jī)器金槍魚（RoboTuna）潛航器，長約1.2 米，由2843 個(gè)零件組成，具有高級(jí)推進(jìn)系統(tǒng)，包括關(guān)節(jié)式鋁合金脊柱、真空聚苯乙烯肋骨、網(wǎng)狀泡沫組織，并用聚氨基甲酸酯彈性纖維表皮包裹，裝有多臺(tái)2馬力的無刷直流伺服電動(dòng)機(jī)（實(shí)際上只使用每臺(tái)電機(jī)額定功率的十分之一）、精密軸承及電路等。機(jī)器魚在多處理器控制下，通過擺動(dòng)軀體和尾鰭，能像真魚一樣游動(dòng)，速度可達(dá)2m/s［4］。

3 專利技術(shù)領(lǐng)域分布

圖4 專利US5740750附圖Fig.4 Attached figure of patent US5740750

水游生物推進(jìn)模式和潛航器仿生推進(jìn)機(jī)理是研究的理論基礎(chǔ)，包括對(duì)擺動(dòng)波動(dòng)、劃動(dòng)、水翼推進(jìn)、射流反沖等運(yùn)動(dòng)形式的數(shù)學(xué)描述和運(yùn)動(dòng)機(jī)理解析計(jì)算［5-6］。在仿生推進(jìn)機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)化為工程實(shí)際過程中還涉及仿生推進(jìn)模式設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿生推進(jìn)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、控制及建模技術(shù)，專利檢索和逐一判讀篩選出的直接相關(guān)專利也幾乎集中在這些領(lǐng)域。但同時(shí)，仿生機(jī)器魚、仿生烏賊等現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的研制也依托了潛艇、魚雷及常規(guī)潛航器等多數(shù)水下裝備較為通用的技術(shù)，包括能源供給、浮力材料、導(dǎo)航通信技術(shù)等，甚至未來向金槍魚高速游動(dòng)技術(shù)的發(fā)展可能會(huì)涉及的超空泡技術(shù)等，但目前鮮有運(yùn)用于仿生推進(jìn)的專利申請(qǐng)，故不作為專利分析重點(diǎn)。

圖5 全球?qū)＠夹g(shù)領(lǐng)域分布圖Fig.5 Distribution map of global patent technology field

根據(jù)仿生推進(jìn)技術(shù)公開專利的實(shí)際情況，可分為仿生推進(jìn)總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制與建模、仿生推進(jìn)機(jī)理、仿生試驗(yàn)測試五大領(lǐng)域。全球仿生推進(jìn)技術(shù)相關(guān)專利的技術(shù)領(lǐng)域分布如圖5所示，涉及仿生推進(jìn)總體設(shè)計(jì)的專利占73%，涉及結(jié)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的專利占12%，建模與控制技術(shù)專利占11%，仿生推進(jìn)基礎(chǔ)理論的專利占4%。在仿生推進(jìn)總體設(shè)計(jì)中，采用波動(dòng)擺動(dòng)推進(jìn)技術(shù)方案的專利占絕大部分，噴射推進(jìn)有69件，水翼推進(jìn)和劃動(dòng)推進(jìn)共22件。

無人潛航器采用仿生推進(jìn)方式在水下游動(dòng)時(shí)，其展向截面形狀為多項(xiàng)式曲線，通常有三種方法擬合曲線運(yùn)動(dòng)規(guī)律：剛性機(jī)構(gòu)、柔性機(jī)構(gòu)、智能材料。目前剛性機(jī)構(gòu)的專利數(shù)量居多，無人潛航器仿生推進(jìn)采用電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，依靠機(jī)械傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器運(yùn)動(dòng)，因而存在整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳動(dòng)裝置易出現(xiàn)機(jī)械故障、難以實(shí)現(xiàn)大潛深等問題，近幾年來出現(xiàn)的智能材料與柔性驅(qū)動(dòng)仿生推進(jìn)的專利在逐步克服原有缺陷。

以仿生推進(jìn)無人潛航器的波動(dòng)鰭為例［7］，目前大多由有滑動(dòng)關(guān)節(jié)的剛性段構(gòu)件連接組成，采用液壓、電磁或電機(jī)驅(qū)動(dòng)，相較于運(yùn)用柔性機(jī)構(gòu)或智能材料的柔性驅(qū)動(dòng)增加了復(fù)雜性和潛在故障點(diǎn)，且滑動(dòng)接頭需要適應(yīng)不同距離的驅(qū)動(dòng)元件，這是仿生推進(jìn)系統(tǒng)中的一個(gè)常見問題。因此，無人潛航器仿生推進(jìn)越來越離不開用于其航行體的柔性變形與運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器技術(shù)，要求其驅(qū)動(dòng)變形大、響應(yīng)快速、控制簡單、能耗低且重量輕。隨著仿生無人潛航器的微型化發(fā)展，智能材料的優(yōu)勢愈發(fā)明顯［8］。目前專利申請(qǐng)較多并應(yīng)用在仿生無人潛航器上的智能材料主要包括形狀記憶合金、電致動(dòng)聚合物、壓電材料等。與傳電機(jī)、液壓帶動(dòng)齒輪、曲柄滑塊等剛性驅(qū)動(dòng)不同，柔性驅(qū)動(dòng)摒棄了復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)裝置，通常以功能聚合物或者聚合物基復(fù)合材料為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜終端運(yùn)動(dòng)。

4 申請(qǐng)人國別分布

專利申請(qǐng)人的國別構(gòu)成如圖6所示，其中專利申請(qǐng)量的國別排名依次是：中國（430）、美國（81）、日本（25）、韓國（24）和德國（14）。上述排名與無人潛航器仿生推進(jìn)技術(shù)的研究熱點(diǎn)區(qū)域基本吻合，美國和中國是目前世界上這一領(lǐng)域研究和專利申請(qǐng)的熱點(diǎn)區(qū)域。但美國、日本、德國的申請(qǐng)人專利布局區(qū)域更廣，如德國FESTO 公司的同一項(xiàng)專利在美、日、中、歐和世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織均有布局。而國內(nèi)申請(qǐng)人的專利幾乎都只在中國布局，截至目前，國內(nèi)只有江蘇科技大學(xué)和廣東尚魚電子有國際專利申請(qǐng)，前者關(guān)于一種仿生胸鰭推進(jìn)裝置基于行星齒輪機(jī)構(gòu)的專利US20170152011A1 在美國布局申請(qǐng)，廣東尚魚電子的創(chuàng)始人盧小平關(guān)于一種仿生魚的驅(qū)動(dòng)與控制方法及仿生魚的專利CN102556310B在近40個(gè)國家/地區(qū)布局。

圖6 專利申請(qǐng)人國別分布圖Fig.6 Country distribution of patent applicants

5 國內(nèi)相關(guān)研究分析

國內(nèi)無人潛航器仿生推進(jìn)的相關(guān)論文最早出現(xiàn)于1995年，是東南大學(xué)陸金偉發(fā)表的介紹麻省理工學(xué)院研究成果的科普文章。國內(nèi)論文發(fā)表數(shù)量從2002年開始大幅增長，2013年達(dá)到70篇。依托863 計(jì)劃機(jī)器人主題技術(shù)、國家自然科學(xué)基金、國防基礎(chǔ)科研等大量項(xiàng)目的支撐，目前處于平穩(wěn)增長期。

圖7 中國論文發(fā)表量趨勢Fig.7 Chinese publication trend

圖8 中國專利申請(qǐng)趨勢圖Fig.8 Chinese patent application trend

2001年，我國出現(xiàn)了第一件仿生潛航器領(lǐng)域的專利申請(qǐng)：新型單關(guān)節(jié)仿生機(jī)器魚，由北京航空航天大學(xué)梁建宏老師申請(qǐng)。中國無人潛航器仿生推進(jìn)技術(shù)專利申請(qǐng)量自2001年后逐年上升。國內(nèi)該領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)經(jīng)歷了低速增長和高速增長兩個(gè)階段。2002年至2013年，專利總體量較少，但數(shù)量平穩(wěn)上升，最多時(shí)，年申請(qǐng)32 項(xiàng)專利。但是在2013年后專利申請(qǐng)數(shù)量直線上升，2016年申請(qǐng)120項(xiàng)專利。一方面由于國內(nèi)高校、中科院等科研機(jī)構(gòu)獲批的自然基金等項(xiàng)目較多，國有船舶、航天、電子、軍工等集團(tuán)在仿生水下裝備領(lǐng)域的介入，另一方面國內(nèi)有多家專注于消費(fèi)級(jí)仿生機(jī)器魚產(chǎn)品的初創(chuàng)企業(yè)成立。例如，杭州暢動(dòng)智能科技公司2016年4月注冊(cè)成立后，立即申請(qǐng)了44 項(xiàng)專利，博雅工道機(jī)器人公司的專利也大多為2016年申請(qǐng)。我國相關(guān)專利由之前全部為高校院所申請(qǐng)向民營初創(chuàng)企業(yè)大面積申請(qǐng)轉(zhuǎn)變，且初創(chuàng)企業(yè)同高校院所合作緊密。

6 重要申請(qǐng)人分析

麻省理工學(xué)院水下機(jī)器人研究所M.Traintafyllou團(tuán)隊(duì)在無人潛航器仿生推進(jìn)研究方面首屈一指，自20 世紀(jì)80年代就有多篇海洋生物游動(dòng)機(jī)理方面的論文，在90年代初申請(qǐng)的專利US5401196中就證明水翼在一定的頻率和振幅等參數(shù)組合下推進(jìn)效率可接近90%，采用水翼法推進(jìn)雙肢協(xié)同克服了魚尾單鰭擺動(dòng)過程中的側(cè)向力和重浮心偏移問題。1995年成功研制出世界上第一個(gè)真正意義的仿生推進(jìn)無人潛航器，并在20 多年來不斷改進(jìn)升級(jí)，申請(qǐng)的專利數(shù)量不算多，但引用量很大，每篇專利涉及的內(nèi)容很豐富。

圖9 波士頓動(dòng)力公司仿生魚Fig.9 Aquatic vehicle of boston

耐頓公司一直在生物力學(xué)界的研究浪潮中引領(lǐng)風(fēng)騷，從自然界中擷取靈感設(shè)計(jì)水下機(jī)器人，專利US7007626公開了其四鰭驅(qū)動(dòng)的仿生水下航行器Pilot Fish的技術(shù)方案。2008年耐頓公司被iRobot公司收購，成為iRobot公司海洋系統(tǒng)分部的初創(chuàng)和主體力量，專注于用于海洋勘探和軍事偵察的自主水下潛航器研發(fā)。

表2 國際主要申請(qǐng)人Table2 Main international applicants

表3 中國主要申請(qǐng)人Table3 Main Chinese applicants

中國科學(xué)院自動(dòng)化所先進(jìn)機(jī)器人與制造系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)、水下裝備研究團(tuán)隊(duì)自2001年以來聚焦水下仿生領(lǐng)域，從最初跟蹤模仿到如今已具有大量自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。哈爾濱工程大學(xué)和江蘇科技大學(xué)依托海軍和海洋裝備的傳統(tǒng)優(yōu)勢拓展水下仿生領(lǐng)域。北京航空航天大學(xué)依托機(jī)器人研究所的專業(yè)積累，公開了智能材料、建模控制研究和機(jī)器鰻魚、機(jī)器牛鼻鲼、機(jī)器海豚等樣機(jī)試驗(yàn)產(chǎn)品的專利。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自20世紀(jì)80年代就有多篇海洋生物游動(dòng)機(jī)理、數(shù)學(xué)計(jì)算的論文，后依托信息控制的學(xué)科優(yōu)勢開展仿生潛航器樣機(jī)的研制，專利數(shù)量不多，但系統(tǒng)性、延續(xù)性較強(qiáng)。

尚魚電子科技有限公司和博雅工道機(jī)器人科技有限公司均為國內(nèi)初創(chuàng)企業(yè)。尚魚電子是一支小而強(qiáng)的團(tuán)隊(duì)，專注于消費(fèi)級(jí)但具有較高技術(shù)含量的仿生機(jī)器魚，通過申請(qǐng)專利，形成保護(hù)壁壘，再以知識(shí)產(chǎn)權(quán)與一些業(yè)內(nèi)具有一定規(guī)模的公司合作，迅速將產(chǎn)品推向市場，通過收取專利授權(quán)費(fèi)實(shí)現(xiàn)回報(bào)。例如研發(fā)出的微型機(jī)器魚授權(quán)給世界最大的玩具商之一Zuru公司，2014年銷售超過1000 萬件，產(chǎn)品銷售到80 多個(gè)國家，2015年還取得了迪斯尼的授權(quán)，2016年產(chǎn)品與電影同步開售。相應(yīng)的，尚魚電子也在全球40 多個(gè)國家布局了大量專利。博雅工道成立于2015年，由北京大學(xué)工學(xué)院博士團(tuán)隊(duì)創(chuàng)立，致力于推動(dòng)水下潛航器從工業(yè)級(jí)走向消費(fèi)級(jí)，為用戶提供水下運(yùn)動(dòng)搭載平臺(tái)以及水下攝影應(yīng)用，目前擁有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)機(jī)器魚產(chǎn)品兩款，專利16 項(xiàng)。

7 結(jié)束語

國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)近兩年的專利申請(qǐng)數(shù)量激增，但同美、日等國相比，專利幾乎僅在中國本土進(jìn)行布局。從專利撰寫質(zhì)量、創(chuàng)新點(diǎn)保護(hù)、重點(diǎn)專利對(duì)比來看，中國專利的權(quán)利要求數(shù)、引用數(shù)量、同族數(shù)量明顯少于美國和日本的專利，例如查爾斯塔克德雷珀實(shí)驗(yàn)室申請(qǐng)的遠(yuǎn)海自主潛航器專利US6138604 引用達(dá)51 次，權(quán)利要求數(shù)24 個(gè)，而國內(nèi)引用次數(shù)最多的專利CN101913419A被引用11 次，權(quán)利要求數(shù)7 個(gè)，獨(dú)權(quán)2301 個(gè)字，其余從權(quán)平均10 多個(gè)字。建議我國相關(guān)研究機(jī)構(gòu)提高無人潛航器仿生推進(jìn)技術(shù)研發(fā)過程中的專利撰寫質(zhì)量，更好的運(yùn)用于武器裝備的立項(xiàng)和未來的國際化競爭。

柔性變形與運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)對(duì)于提高水下航行體大變形驅(qū)動(dòng)、快速響應(yīng)、靈敏控制、降低能耗和減輕重量仍是關(guān)鍵問題。各國在柔性驅(qū)動(dòng)技術(shù)的專利申請(qǐng)量逐漸增多，但柔性驅(qū)動(dòng)器、記憶合金等柔性材料應(yīng)用于仿生推進(jìn)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量還很少，柔性驅(qū)動(dòng)未來的工程化應(yīng)用仍將持續(xù)。舉例來說，關(guān)于復(fù)雜曲面驅(qū)動(dòng)器的研究尚處于探索階段，現(xiàn)有的基于 IPMC（離子交換聚合金屬材料）型柔性驅(qū)動(dòng)器中，有的僅利用了IPMC的單自由度彎曲變形，有的雖然在研究多自由度彎曲變形但卻未用到傳感功能，而對(duì)于兼?zhèn)鋫鞲泄δ芎椭聞?dòng)功能的陣列式柔性驅(qū)動(dòng)器的分布設(shè)計(jì)及研究幾乎空白，專利申請(qǐng)尚未發(fā)現(xiàn)。建議國內(nèi)研發(fā)機(jī)構(gòu)可以尋求電致動(dòng)聚合物、壓電材料、記憶合金、離子交換聚合金屬等智能材料應(yīng)用于水下航行體仿生推進(jìn)設(shè)計(jì)中，解決無人潛航器仿生推進(jìn)技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

國內(nèi)在無人潛航器領(lǐng)域的專利申請(qǐng)主體主要是高校和科研院所，且大多處于工程化樣機(jī)研發(fā)階段。而美國和日本的創(chuàng)新主體大多是企業(yè)，與大學(xué)通過產(chǎn)學(xué)研結(jié)合實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化運(yùn)營。例如擅長仿生警用無人潛航器和兩棲仿生潛航器的美國iRobot公司于1990年由美國麻省理工學(xué)院教授羅德尼布魯克斯及其同事創(chuàng)立。建議國內(nèi)高校加強(qiáng)潛航器技術(shù)孵化，同創(chuàng)新型微小企業(yè)緊密合作，彌補(bǔ)同發(fā)達(dá)國家存在的產(chǎn)業(yè)化差距。