仿生機械魚研究新進展

1、“如果瞧到一只游動得魚，您會想到什么？ ”如果有人問起這個問題，按照筆者得思維，準就是會回答：“清蒸得得話會就是非常得鮮 美，紅燒得得話口感應該會更加香?！倍鴰е瑯拥脝栴}，筆者走進仿 生機器魚課題組,組員們給出得答案卻超出了 R常生活，她們得回答就是：“瞧見尾鰭得一擺一動，勾起我們得就是如何能進一步改進控制 算法，在仿生魚身上更完美地實現(xiàn)魚類得波動推進方式。”“用智能算法來理解魚之樂”按預約得時間，筆者來到了仿生魚課題組所在得辦公室自動 化大廈9層906室。課題組成員王碩研究員熱情地將我們請到了十三 層咖啡廳，點上一壺茶水，在茶葉得沉落之間，為我們一一講述關于仿 生機器魚得話題。仿生機器魚得

2、研究工作由復雜系統(tǒng)控制與管理國家重點實驗室得 譚民研究員組織與指導，多名研究員、副研究員與在讀博士生、碩士 生共同合作開展。一邊品茶，王碩一邊回憶起課題組得情況。順著時間得脈絡，她將 課題組得情況進行了簡要得回顧。王碩告訴筆者：“仿生魚作為課題組得研究內(nèi)容，已經(jīng)長達十余年 之久。最早就是在2001年，譚民老師與北京航空航天大學王田苗教授 交流時，談到就是否可以將研究所智能控制算法應用于工業(yè)設計中。受其啟發(fā)，課題組開始了仿生魚得研究。” 2001年算就是探索起步階段，這一時期主要就是對魚類得跟蹤模仿。到2003年前后，課題組得研究進入到一個新得階段：三維仿生運 動階段。為了提高任務得環(huán)境適應性，

3、需要機器魚具有水中得三維運 動能力，也就就是需要機器魚除了推進外還要能夠上浮下潛，甚至維 持某一深度。課題組在已有多關節(jié)仿生機器魚得基礎上，總結設計了 一種新型機器魚，基于改變胸鰭攻角法，完成仿生機器魚得俯仰與浮 潛運動，設計得機器魚既可實現(xiàn)俯仰與浮潛，響應迅速，動態(tài)特性好。到2004年，課題組提出一種基于重心改變法得仿生機器魚俯仰姿 態(tài)與深度控制方法，用于實現(xiàn)機器魚水中得浮潛運動。據(jù)介紹，這種方 法利用一種可調(diào)整位置得配重塊結構，以改變機器魚得重心位置，進 而實現(xiàn)機器魚俯仰姿態(tài)得調(diào)節(jié)。2005年之后，課題組開始了仿生機器魚轉(zhuǎn)身、快速起動、運動中變速與轉(zhuǎn)向、倒游、定深、制動等高機動控制研究。經(jīng)

4、過十多年得堅持與攻堅，課題組在對魚類深入觀察得基礎上，結 合仿生學、機器人學、材料學、機械學與智能控制，深入探討了魚類 游動得機制，形成了身體/尾鰭推進、胸鰭推進、子母式、長鰭、兩棲、 海豚式推進等多個系列，聚焦高機動、高游速兩大指標，目前已實現(xiàn)利 用多模式控制技術將多種性能集成到高性能機器魚平臺。課題組成員介紹說，她們所研制出得多仿生機器魚群體協(xié)作與控制仿生機器魚, 就是參照魚類游動得推進機理，利用機械、電子元器件與智能材料實 現(xiàn)水下推進得運動裝置，具有低噪聲、高效率、高機動性、高隱蔽性 等特點。目前，課題組已在機器人學得頂期國際期刊IEEE Transactions onRobot i c

5、s 與 I EEE Robotics and Automat io n Magaz i ne 上發(fā)表多篇 文章，在國際仿生機器魚領域占有重要得一席之地?！霸隰~類身上找尋前行得新力量”隨著科技得深入發(fā)展與產(chǎn)業(yè)、軍事等領域應用需求得拉動，仿生機 器學(Biomimetics)研究越來越受到關注?！巴ㄟ^研究、學習、模仿 得仿生學方法來復制與再造生物得形態(tài)、結構、功能、工作原理及控 制機制等已成為機器人學得一項重要研究內(nèi)容。”王碩說道。據(jù)介紹得知，魚類作為自然界最早出現(xiàn)得絳椎動物，經(jīng)過億萬年得 自然選擇，進化出了非凡得水中運動能力，其游泳技巧遠遠高出人類 現(xiàn)有得航海技術。與普通得水下推進器相比，魚類得

6、游動具有高效率、 高機動性、低擾動得運動特點與對復雜生存環(huán)境得高度適應性等特 點。為了適應新得需要，國內(nèi)外科學家都在探索不同于螺旋槳推進得 其她高效率、機動靈活得水下推進方式?！胺律鷻C器魚作為魚類推進 機理與機器人技術得結合點，為研制新型得水下航行器提供了 一種新思路，具有重要得研究價值與應用前景，可用于狹窄或危險水下環(huán)境 中得監(jiān)測、軍事偵察、水下救撈、水下考古、海洋生物觀察、水下設 備檢修等工作?！蹦壳埃律鷻C器魚系統(tǒng)得研究在理論與應用等方面已開展了很多 研究工作，研究已經(jīng)表明波動推進方式具有很多獨特得優(yōu)勢。課題組 成員介紹說,一些發(fā)達國家很重視仿生魚得研究，其中美、日均取得一 些成果，日本

7、三菱重工就研發(fā)出用于觀賞得機器魚，市場售價達到每 條woo美元。目前，自動化所在這方面得研究已經(jīng)積累十余年得時間, 研發(fā)水平也處于世界得前列。近年來，研究所每年一屆得科學開放日上，由課題組“飼養(yǎng)”得仿 生魚像就是研究所得迎賓禮儀，每次都出現(xiàn)在自動化大廈得一層大廳 里，在水池里自由自在地游動，總就是吸引一大群小朋友駐足觀賞，或 就是與魚逗趣?？萍继帍埗防蠋煱涯抗饩劢乖谘芯克眠@些高新科 技成果上，積極搭建起科普平臺，越來越多得初中生、小學生走進研究 所實驗室，感受科技得魅力。其中，仿生魚得參觀總就是必不可少得項 目之一。在筆者得多次帶隊參觀中，總就是能感受到廣大參觀者對于 這一成果得好奇與喜愛

8、。不僅如此，課題組所研發(fā)得各類仿生機器魚 也已經(jīng)進入山東省科技館、吉林省科技館、張家港科技館等科普展館, 備受人們青睞。仿生機器魚研究就是將課題組原來積累較為深厚得智能算法與仿 生學等其她學科知識進行融合，從而開辟了 一個嶄新得研究方向，經(jīng)過十多年得持續(xù)研究，取得了一系列得研究成果，并還將在已有得研 究基礎上對減阻、減重、動力、算法等諸多方面進行技術攻關，提出 更多創(chuàng)新性得理論成果。“波動推進就是一種不同于螺旋槳得推動方 式，這種深藏在自然界得力量值得我們投注心力，需要人們潛心去研 究，將為水下航行提供一種新得前行力量?！薄霸谥悄苁澜缦耵~一樣自由自在得暢游”在與課題組成員得交流過程中，“觀察”

9、二字就是筆者感受較深得 字眼。課題組成員告訴筆者，關于仿生魚得研究，離不開對魚類得觀察, 或者說，離不開對各種魚類相關研究得研究。前不久，課題組仿生魚研 究又取得新突破，其中之一便就是源于對真實魚類C形起動過程得細 致觀察，提出了 基于虛擬C形管道得動態(tài)軌跡法”來實現(xiàn)仿魚高機 動運動。課題組成員周超于2003年進入到研究所攻讀博士學位，畢業(yè)后留 在了課題組繼續(xù)進行仿生魚得研究工作。勤于觀察如同基因注入了身 體，已經(jīng)成為了她得一種性格。因為研究魚，對魚有了 一種別樣得感 情，每次瞧到魚得時候，總就是會默默得觀賞一下，瞧它得行進路徑, 瞧它得擺動，會想到自己所研發(fā)出來得魚得機動性，靈活性?！闭n題組

10、喻俊志老師06年開始進行海豚相關研究。多年來，一直潛 心于觀察海豚得各種動作?！霸谒心軌蜍S水得水生動物中，海豚采 用背腹式推進，即在豎直面內(nèi)上下拍動尾鰭，能夠得到更佳得俯仰機動能力，更適于在水面附近做上下翻飛得動作，具有比其它魚類更小 得躍水門限速度。”根據(jù)這一觀察結果，喻老師與其她幾個老師一起 開始著手研制可以躍出水面得機器海豚。這一目標經(jīng)過多年得努力, 于今年夏天取得了階段性進展，課題組基于攻角得機器海豚快速游動 控制算法，實現(xiàn)了 1、5倍體長得最高直線游速，并在國際上首次實現(xiàn)了機器海豚得躍水：機器人身體完全躍出水面，并完整復現(xiàn)“出水 空中滑行再入水”這一生物躍水過程。在與喻老師交談得過

11、程中，她還告訴筆者：“現(xiàn)在對于海豚已經(jīng)有 了一種特殊得感情，周末有時間得話，就會帶著孩子一起到海洋館瞧 海豚表演，觀賞海豚在躍出水面得美麗瞬間?！北M管課題組已經(jīng)取得了不少得成果，但在與課題組成員得交流中, 她們無不說到“這些都還只就是基礎階段得研究” 喻老師坦言：“要 想實現(xiàn)像魚類一樣自由自在得游動，還有很多得困難要面對，畢竟從 理論到應用還要面對更為復雜得環(huán)境考驗，每一次成功都就是建立在 無數(shù)次嘗試與失敗得基礎上。而每一次把失敗克服之后，就又會面對 新得問題，在這樣一個過程中，自己總就是舍不得停下來，不知不覺便 堅持了十余年?！贝舜巫哌M實驗室訪談結束時，也順便聊了些花絮內(nèi)容，方知課題組 得喻俊志等幾位年輕老師們，都已為人父母,在繁忙得研究任務下，對 家庭投入得時間便少了，對于“二者不可得兼”得狀況,喻老師打趣得 說：少了與孩子逗趣得快樂，但我們體會著魚得快樂。”訪談臨近結束，筆者禁不住想到莊子與惠施得一段經(jīng)典問答：“子非魚，焉知魚之樂？ ”課題組成員潛心于仿生魚得研制，用大量得