宋悅嘉，李思雨，張新琪，藍蔚青，吳 波，吳清云

（1.上海海洋大學工程學院，上海 201306；2.上海海洋大學食品學院，上海 201306；3.南方醫(yī)科大學生物醫(yī)學工程學院，廣東 廣州 510515）

水是地球環(huán)境得以正常運行的基礎，在大量的環(huán)境問題中，與人們聯(lián)系最密切的就是水，作為地球生物賴以生存的物質(zhì)基礎，水是所有生物的自然活動中不可或缺的一部分。水環(huán)境是人類最重要的環(huán)境保障，而水污染是地球生物最難以解決的重要問題。但近年來，隨著各國推進城市化進程不斷加快，人口數(shù)量激增，過度開采產(chǎn)生的污染物被排入河流中，導致大量水域的水體受到嚴重污染，影響到各國環(huán)境和居民健康。

目前，污染源的檢測是水污染治理中最難解決的問題。固體污染物由于其可視化、易收集的特點，已經(jīng)擁有較為成熟的處理措施。然而，如何既遵循河流的自然生態(tài)原則，又能設計針對性的河流湖泊非固體污染物監(jiān)測裝置，協(xié)助環(huán)境治理，是目前行業(yè)人員的努力方向?；诖耍疚脑趯λ廴疚锍Ｓ脵z測方法與國內(nèi)外最新探測法介紹的基礎上，闡述了仿生魚技術(shù)在水體非固體污染探測中的主要特點，并對該技術(shù)的未來發(fā)展趨勢予以展望。

1 中國常用的水污染污染物檢測法

隨著科技水平不斷提高，中國已有相應的水污染污染物檢測方法，主要包括生物探測法、光探測法、機械探測法、物理檢測法、化學檢測法與物聯(lián)網(wǎng)檢測技術(shù)。

1.1 生物探測法

生物方法中的許木啟實驗是利用白洋淀水體里的浮游動物群種變化來判斷水體污染程度[1]。該方法監(jiān)測功能多樣，監(jiān)測污染狀況客觀，結(jié)果可靠，成本低，但難以具體測定一片水域的污染物種類和范圍。

1.2 光檢測法

光探測法中應用最多的是紫外吸收法。該法利用雙光路單通道循環(huán)分時采樣方法，在軟件控制下分時探測光強反應的水質(zhì)污染情況[2]。其優(yōu)點在于消除了由于后景光的折射和光線強度帶來的影響，具有很強的實用性，但在實際使用中，根據(jù)中國現(xiàn)行標準，需把測定中的紫外光吸收系數(shù)轉(zhuǎn)換成化學需氧量，轉(zhuǎn)換時需要完成大量工作，轉(zhuǎn)換值缺乏代表性。

1.3 機械探測法

機械方法中主要應用監(jiān)測網(wǎng)技術(shù)，通過這項技術(shù)將各種傳感器、縮微電腦芯片和發(fā)送器安裝在一個裝置內(nèi)，將探測裝置放進需要監(jiān)測的水域里，通過底部的定位器等判斷水深位置，然后來具體監(jiān)測水質(zhì)。各種傳感器等續(xù)航時間長，可以組成整體監(jiān)測網(wǎng)，可用于大型污染水域的監(jiān)測，但價格昂貴，不易在戶外攜帶。

1.4 物理檢測法

各種物理方法中較常用的是環(huán)境地球物理方法，它是一種檢測大片水域污染程度的方法，通過檢測滲透液的方法判斷水域內(nèi)污染的大致范圍和程度[3]。當水體受到污染后，視電阻率或電導率發(fā)生變化，根據(jù)檢測結(jié)果來判斷污染范圍、污染程度等。其優(yōu)點在于污染物探測更精確，但由于不同區(qū)域、不同水域的介質(zhì)不同，該方法對于有些數(shù)據(jù)可能給不出合理解釋，所以沒有被廣泛應用。

1.5 化學檢測法

化學監(jiān)測中最常用滴定分析法，該方法將一種已知準確質(zhì)量濃度的溶液（標準溶液），滴加到需要檢測的水質(zhì)中，根據(jù)化學反應完全后消耗標準溶液的體積和質(zhì)量濃度，計算出被測物質(zhì)的含量[4-5]。其優(yōu)點在于方法簡單易懂，分析準確度高，總體成本低。但操作煩瑣，費時費人工，而且必須要有合適的指示終點。

1.6 物聯(lián)網(wǎng)探測技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)探測技術(shù)是通過放置在浮標等裝置上的傳感器探測設備配合GPS 對污染程度以及探測的具體時間、具體水域位置進行實時監(jiān)測，得出污染詳細圖[6]。各種傳感器通過實時網(wǎng)絡進行檢測，上傳至上位機進行實時監(jiān)測。其優(yōu)點在于檢測范圍廣，檢測精度高，但費用昂貴，操作煩瑣，費時費力。

2 國內(nèi)外最新水污染檢測方法

國內(nèi)外目前通常根據(jù)不同地點的探測結(jié)果對水污染進行綜合治理，水污染檢測技術(shù)不斷推陳出新，主要包括以下3 種。

2.1 水下機器人探測法

現(xiàn)代水質(zhì)監(jiān)測手段明顯存在自動化不足、站點不足、專業(yè)性缺乏的問題[7]。水下機器人探測法通過pH傳感器、濁度傳感器和溫度傳感器來探測水體環(huán)境和非固體污染物的位置，通過螺旋推動器進行運動推進，實現(xiàn)水下靈活運動，但是由于螺旋槳噪聲較大，且易損傷魚類，會破壞水下生態(tài)環(huán)境。

2.2 小型無人艇水污染檢測法

普通水上污染監(jiān)測設備往往價格昂貴，體積龐大，使用不夠靈活[8]。無人艇系統(tǒng)適用于江河湖庫水污染的抽檢和巡檢，以小型無人艇為載體進行水資源數(shù)據(jù)采集，以電腦作為陸地主體來進行數(shù)據(jù)的實時顯示，利用3G 通信技術(shù)實現(xiàn)遠程通信。但由于無人艇對江河湖中的環(huán)境可能存在破壞情況，該技術(shù)還未成熟，因此未得到廣泛應用。

2.3 仿生魚探測法

仿生魚探測法摒棄了冰冷的水下機器人探測，通過融入魚群避免破環(huán)水下生態(tài)環(huán)境。目前的仿生魚領域主要利用傳感器等技術(shù)，通過對水下污染物的探測進行數(shù)據(jù)的整理，研究人員再用探測的數(shù)據(jù)繪制實時的水污染3D 圖，環(huán)保部門將此作為污染物清理的依據(jù)。但該技術(shù)尚未成熟，無法完全模仿魚類游動方式，不能完全融入魚群。

目前對大片流域的水污染探測仍存在較大問題，因此對于河流污染后的生態(tài)修復要遵循自然生態(tài)原則，利用河道生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力來進行分析，全面遵循其發(fā)展規(guī)律，以此促進人與自然和平發(fā)展。

3 新型仿生魚技術(shù)在水體固體污染探測中的應用

目前的仿生魚技術(shù)優(yōu)缺點明顯，其優(yōu)點在于，通過魚尾擺動進行運動推進，實現(xiàn)水下靈活運動，且由于舵機相較于螺旋槳噪聲較小，不易損傷魚類，保護水下生態(tài)環(huán)境。但是仿生魚缺點在于，多種傳感器雖然可以組成整體監(jiān)測網(wǎng)，可用于大型污染水域的監(jiān)測，但價格昂貴，不易在戶外攜帶。而目前的仿生魚領域主要利用傳感器等技術(shù)，通過對水下污染物的探測進行數(shù)據(jù)的整理，科學家用探測的數(shù)據(jù)繪制實時水污染3D 圖，讓環(huán)保部門采取辦法來清除這里的污染物，以此來達到保護河流環(huán)境的目的。但是，其缺點在于，只能探測出固體污染物及其所在位置，而對于水體環(huán)境的探測具有很大的漏洞。因此，設計一款通過機械仿生及智能AI 混入魚群、遵循魚類活動，再由物聯(lián)網(wǎng)進行大數(shù)據(jù)分析，來探索河流中非固體污染物以及污染源的位置的智能仿生機器魚。新型仿生魚產(chǎn)品模型如圖1 所示。

圖1 新型仿生魚產(chǎn)品模型圖

3.1 計算機視覺技術(shù)

利用水下仿生魚系統(tǒng)，通過攝像頭和Wi-Fi 等裝置對水下的魚群進行實時拍攝和信息識別，并將識別信息結(jié)果傳輸?shù)接脩羯衔粰C端，可對水下魚群游動、水域污染、水下實時環(huán)境進行監(jiān)測，以此來跟隨魚群游動，并進一步利用圖像識別技術(shù)對水下環(huán)境進行精細化觀測。新型仿生魚系統(tǒng)流程如圖2 所示。

圖2 新型仿生魚系統(tǒng)流程圖

3.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

通過溫度、流速等傳感器，實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)管等功能。為構(gòu)建智能仿生魚，設計物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用方案，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被應用于智能仿生魚的環(huán)節(jié)如下：數(shù)據(jù)采集、分析、處理，設備遠程控制，RFID 無線射頻技術(shù)，云平臺。

3.3 紅外避障技術(shù)

采用紅外漫散傳感器采集所處環(huán)境障礙物的信息，該傳感器工作原理為紅外光發(fā)射端所發(fā)出的光線遇障礙物被反射，紅外接收端檢測到信號時產(chǎn)生微弱控制電流至三極管內(nèi)部的基極完成三極管的導通。三級管導通前后集電極和發(fā)射極之間出現(xiàn)明顯的電勢差。通過單片機對該電勢差的判斷（有障礙呈現(xiàn)高電平，無障礙呈現(xiàn)低電平），間接獲取周圍障礙信息。這種工作方式效率高，成本低，操作簡便，具有很高的可實施性。新型仿生魚避障系統(tǒng)流程如圖3 所示。

圖3 新型仿生魚避障系統(tǒng)流程圖

3.4 GPS 定位返航技術(shù)

采用GPS+LBS+Wi-Fi 的多重定位模式實現(xiàn)對機械仿生魚的定位，給機械仿生魚安裝一個具有GPS+Wi-Fi+LBS 多重定位模式的GPS 定位器。由于每個GPS 廠家都有自己相應的電腦管理平臺和手機APP。安裝好GPS 定位器后，可用手機下載指定APP，用賬號密碼登錄，就可在APP 上查看仿生魚位置、回放電子圍欄與歷史軌跡。

在實現(xiàn)魚類生物仿生和群體仿生的基礎上，本項目通過對其仿生行為和傳感器進行大量數(shù)據(jù)收集，通過物聯(lián)網(wǎng)將信息傳至PC 端，通過計算機分析大量數(shù)據(jù)，把一大批雜亂無章的數(shù)據(jù)中的信息集中和提煉出來，從而找出所研究小白須公魚類游動的內(nèi)在規(guī)律。因為魚類在洄游過程中會依靠自身復雜敏感的感覺器官（如視覺、味覺、側(cè)線系統(tǒng)等）和中樞神經(jīng)系統(tǒng)，接受外界物理的、化學的定向信息，人類對某些水域的破壞，導致魚類食欲亦會下降，小白須公魚類會減少游動，因此通過大量數(shù)據(jù)可分析出哪些水域遭受到了非具體污染物的破壞。此技術(shù)可幫助人們作出判斷，以便采取適當行動減少對河流的污染。

4 結(jié)束語

目前仿生機器魚已成為仿生技術(shù)研究的熱點。與傳統(tǒng)的水下機器人進行對比發(fā)現(xiàn)它具有推進效率高、耗能少、噪聲低、機動性強等特點[9]。從未來發(fā)展規(guī)劃來看，仿生機器魚如何達到足夠仿生是研究人員一直追求的目標。目前技術(shù)通過模擬魚類的柔性游動，從而可簡化仿生機器魚的設計。現(xiàn)在已有一些仿生推進器采用模塊化結(jié)構(gòu)，例如美國的東北大學開發(fā)的臀鰭推進器采用了16 個相同的模塊。目前的仿生機器魚推進裝置雖具有一定的動作柔性，但還遠不及水中生物，長遠來看，推進仿生魚的仿生柔性將大大提高游動仿生機器魚的推進效率和適應。然而，隨著技術(shù)的不斷改進，相信不久的將來，仿生機器魚必將是未來水下機器人的重要組成部分，成為人類探索海洋的重要工具。