仿生機械魚研究新進展

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1、. “如果看到一只游動的魚，你會想到什么？”如果有人問起這個問題，按照筆者的思維，準是會回答：“清蒸的的話會是非常的鮮美，紅燒的的話口感應該會更加香?！倍鴰е瑯拥膯栴}，筆者走進仿生機器魚課題組，組員們給出的答案卻超出了日常生活，他們的回答是：“看見尾鰭的一擺一動，勾起我們的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)魚類的波動推進方式?！? “用智能算法來理解魚之樂” 按預約的時間，筆者來到了仿生魚課題組所在的辦公室——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，在茶葉的沉落之間，為我們一一講述關于仿生機器魚的話題。 仿生機器

2、魚的研究工作由復雜系統(tǒng)控制與管理國家重點實驗室的譚民研究員組織和指導，多名研究員、副研究員和在讀博士生、碩士生共同合作開展。 一邊品茶，王碩一邊回憶起課題組的情況。順著時間的脈絡，他將課題組的情況進行了簡要的回顧。 王碩告訴筆者：“仿生魚作為課題組的研究內(nèi)容，已經(jīng)長達十余年之久。最早是在2001年，譚民老師和北京航空航天大學王田苗教授交流時，談到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的研究?！?001年算是探索起步階段，這一時期主要是對魚類的跟蹤模仿。 到2003年前后，課題組的研究進入到一個新的階段：三維仿生運動階段。為了提高任務的環(huán)境適應性，需要機

3、器魚具有水中的三維運動能力，也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)仿生機器魚的基礎上，總結(jié)設計了一種新型機器魚，基于改變胸鰭攻角法，完成仿生機器魚的俯仰和浮潛運動，設計的機器魚既可實現(xiàn)俯仰和浮潛，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的仿生機器魚俯仰姿態(tài)與深度控制方法,用于實現(xiàn)機器魚水中的浮潛運動。據(jù)介紹，這種方法利用一種可調(diào)整位置的配重塊結(jié)構(gòu)，以改變機器魚的重心位置，進而實現(xiàn)機器魚俯仰姿態(tài)的調(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、運動中變速和轉(zhuǎn)向、倒游、定深、制動等高機動控制研究。 經(jīng)過十多年的

4、堅持和攻堅，課題組在對魚類深入觀察的基礎上，結(jié)合仿生學、機器人學、材料學、機械學和智能控制，深入探討了魚類游動的機制，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，他們所研制出的多仿生機器魚群體協(xié)作與控制仿生機器魚，是參照魚類游動的推進機理，利用機械、電子元器件和智能材料實現(xiàn)水下推進的運動裝置，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的頂期國際期刊IEEE Transactions on Robotics和IEEE Robot

5、ics and Automation Magazine上發(fā)表多篇文章，在國際仿生機器魚領域占有重要的一席之地。 “在魚類身上找尋前行的新力量” 隨著科技的深入發(fā)展和產(chǎn)業(yè)、軍事等領域應用需求的拉動，仿生機器學（Biomimetics）研究越來越受到關注。“通過研究、學習、模仿的仿生學方法來復制和再造生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能、工作原理及控制機制等已成為機器人學的一項重要研究內(nèi)容?！蓖醮T說道。 據(jù)介紹得知，魚類作為自然界最早出現(xiàn)的脊椎動物，經(jīng)過億萬年的自然選擇，進化出了非凡的水中運動能力，其游泳技巧遠遠高出人類現(xiàn)有的航海技術。和普通的水下推進器相比，魚類的游動具有高效率、高機動性、低擾動的運動特

6、點和對復雜生存環(huán)境的高度適應性等特點。 為了適應新的需要，國內(nèi)外科學家都在探索不同于螺旋槳推進的其他高效率、機動靈活的水下推進方式。“仿生機器魚作為魚類推進機理和機器人技術的結(jié)合點，為研制新型的水下航行器提供了一種新思路，具有重要的研究價值和應用前景，可用于狹窄或危險水下環(huán)境中的監(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?！? 目前，仿生機器魚系統(tǒng)的研究在理論和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的優(yōu)勢。課題組成員介紹說，一些發(fā)達國家很重視仿生魚的研究，其中美、日均取得一些成果，日本三菱重工就研發(fā)出用于觀賞的機器魚，市場售價達到每條1

7、000美元。目前，自動化所在這方面的研究已經(jīng)積累十余年的時間，研發(fā)水平也處于世界的前列。 近年來，研究所每年一屆的科學開放日上，由課題組“飼養(yǎng)”的仿生魚像是研究所的迎賓禮儀，每次都出現(xiàn)在自動化大廈的一層大廳里，在水池里自由自在地游動，總是吸引一大群小朋友駐足觀賞，或是與魚逗趣?？萍继帍埗防蠋煱涯抗饩劢乖谘芯克倪@些高新科技成果上，積極搭建起科普平臺，越來越多的初中生、小學生走進研究所實驗室，感受科技的魅力。其中，仿生魚的參觀總是必不可少的項目之一。在筆者的多次帶隊參觀中，總是能感受到廣大參觀者對于這一成果的好奇和喜愛。不僅如此，課題組所研發(fā)的各類仿生機器魚也已經(jīng)進入山東省科技館、吉林省科技

8、館、張家港科技館等科普展館，備受人們青睞。 仿生機器魚研究是將課題組原來積累較為深厚的智能算法與仿生學等其他學科知識進行融合，從而開辟了一個嶄新的研究方向，經(jīng)過十多年的持續(xù)研究，取得了一系列的研究成果，并還將在已有的研究基礎上對減阻、減重、動力、算法等諸多方面進行技術攻關，提出更多創(chuàng)新性的理論成果?！安▌油七M是一種不同于螺旋槳的推動方式，這種深藏在自然界的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的前行力量。” “在智能世界像魚一樣自由自在的暢游” 在和課題組成員的交流過程中，“觀察”二字是筆者感受較深的字眼。課題組成員告訴筆者，關于仿生魚的研究，離不開對魚類的觀察

9、，或者說，離不開對各種魚類相關研究的研究。前不久，課題組仿生魚研究又取得新突破，其中之一便是源于對真實魚類C形起動過程的細致觀察，提出了“基于虛擬C形管道的動態(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)進行仿生魚的研究工作。勤于觀察如同基因注入了身體，已經(jīng)成為了他的一種性格?！耙驗檠芯眶~，對魚有了一種別樣的感情，每次看到魚的時候，總是會默默的觀賞一下，看它的行進路徑，看它的擺動，會想到自己所研發(fā)出來的魚的機動性，靈活性?！? 課題組喻俊志老師06年開始進行海豚相關研究。多年來，一直潛心于觀察海豚的各種動作?！霸谒心軌蜍S水的水生

10、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，能夠得到更佳的俯仰機動能力，更適于在水面附近做上下翻飛的動作，具有比其它魚類更小的躍水門限速度?！备鶕?jù)這一觀察結(jié)果，喻老師和其他幾個老師一起開始著手研制可以躍出水面的機器海豚。這一目標經(jīng)過多年的努力，于今年夏天取得了階段性進展，課題組基于攻角的機器海豚快速游動控制算法，實現(xiàn)了1.5倍體長的最高直線游速，并在國際上首次實現(xiàn)了機器海豚的躍水：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。 在和喻老師交談的過程中，他還告訴筆者：“現(xiàn)在對于海豚已經(jīng)有了一種特殊的感情，周末有時間的話，就會帶著孩子一起到海洋館看海

11、豚表演，觀賞海豚在躍出水面的美麗瞬間?！? 盡管課題組已經(jīng)取得了不少的成果，但在和課題組成員的交流中，他們無不說到“這些都還只是基礎階段的研究”。喻老師坦言：“要想實現(xiàn)像魚類一樣自由自在的游動，還有很多的困難要面對，畢竟從理論到應用還要面對更為復雜的環(huán)境考驗，每一次成功都是建立在無數(shù)次嘗試和失敗的基礎上。而每一次把失敗克服之后，就又會面對新的問題，在這樣一個過程中，自己總是舍不得停下來，不知不覺便堅持了十余年。” 此次走進實驗室訪談結(jié)束時，也順便聊了些花絮內(nèi)容，方知課題組的喻俊志等幾位年輕老師們，都已為人父母，在繁忙的研究任務下，對家庭投入的時間便少了，對于“二者不可得兼”的狀況，喻老師打趣的說：“少了和孩子逗趣的快樂，但我們體會著魚的快樂?！? 訪談臨近結(jié)束，筆者禁不住想到莊子與惠施的一段經(jīng)典問答：“子非魚，焉知魚之樂？”課題組成員潛心于仿生魚的研制，用大量的心血和精力投注在各類魚上。或許，在他們的心里，如期實現(xiàn)仿生魚的各種動作的過程就如同魚兒在暢游，他們也自由自在地徜徉在智能算法的世界里吧！ 試驗中的仿生魚——優(yōu)雅轉(zhuǎn)身 試驗中的仿生魚——群魚戲水 北京三十五中學生來所參觀仿生魚 　 如果沒有一旁的電器，你可曾會想到這是一只研制的仿生魚？ 2012年第八屆“自動化之光”科學開放日上，中央電視臺記者拍攝報道仿生魚 .