仿生機(jī)械魚研究新進(jìn)展

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1、. “如果看到一只游動(dòng)的魚，你會(huì)想到什么？”如果有人問起這個(gè)問題，按照筆者的思維，準(zhǔn)是會(huì)回答：“清蒸的的話會(huì)是非常的鮮美，紅燒的的話口感應(yīng)該會(huì)更加香。”而帶著同樣的問題，筆者走進(jìn)仿生機(jī)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(dòng)，勾起我們的是如何能進(jìn)一步改進(jìn)控制算法，在仿生魚身上更完美地實(shí)現(xiàn)魚類的波動(dòng)推進(jìn)方式。” “用智能算法來理解魚之樂” 按預(yù)約的時(shí)間，筆者來到了仿生魚課題組所在的辦公室——自動(dòng)化大廈9層906室。課題組成員王碩研究員熱情地將我們請(qǐng)到了十三層咖啡廳，點(diǎn)上一壺茶水，在茶葉的沉落之間，為我們一一講述關(guān)于仿生機(jī)器魚的話題。 仿生機(jī)器

2、魚的研究工作由復(fù)雜系統(tǒng)控制與管理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的譚民研究員組織和指導(dǎo)，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(shí)間的脈絡(luò)，他將課題組的情況進(jìn)行了簡(jiǎn)要的回顧。 王碩告訴筆者：“仿生魚作為課題組的研究?jī)?nèi)容，已經(jīng)長(zhǎng)達(dá)十余年之久。最早是在2001年，譚民老師和北京航空航天大學(xué)王田苗教授交流時(shí)，談到是否可以將研究所智能控制算法應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)中。受其啟發(fā)，課題組開始了仿生魚的研究。”2001年算是探索起步階段，這一時(shí)期主要是對(duì)魚類的跟蹤模仿。 到2003年前后，課題組的研究進(jìn)入到一個(gè)新的階段：三維仿生運(yùn)動(dòng)階段。為了提高任務(wù)的環(huán)境適應(yīng)性，需要機(jī)

3、器魚具有水中的三維運(yùn)動(dòng)能力，也就是需要機(jī)器魚除了推進(jìn)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(guān)節(jié)仿生機(jī)器魚的基礎(chǔ)上，總結(jié)設(shè)計(jì)了一種新型機(jī)器魚，基于改變胸鰭攻角法，完成仿生機(jī)器魚的俯仰和浮潛運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)的機(jī)器魚既可實(shí)現(xiàn)俯仰和浮潛，響應(yīng)迅速，動(dòng)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(jī)器魚俯仰姿態(tài)與深度控制方法,用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚水中的浮潛運(yùn)動(dòng)。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(jī)器魚的重心位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jī)器魚轉(zhuǎn)身、快速起動(dòng)、運(yùn)動(dòng)中變速和轉(zhuǎn)向、倒游、定深、制動(dòng)等高機(jī)動(dòng)控制研究。 經(jīng)過十多年的

4、堅(jiān)持和攻堅(jiān)，課題組在對(duì)魚類深入觀察的基礎(chǔ)上，結(jié)合仿生學(xué)、機(jī)器人學(xué)、材料學(xué)、機(jī)械學(xué)和智能控制，深入探討了魚類游動(dòng)的機(jī)制，形成了身體/尾鰭推進(jìn)、胸鰭推進(jìn)、子母式、長(zhǎng)鰭、兩棲、海豚式推進(jìn)等多個(gè)系列，聚焦高機(jī)動(dòng)、高游速兩大指標(biāo)，目前已實(shí)現(xiàn)利用多模式控制技術(shù)將多種性能集成到高性能機(jī)器魚平臺(tái)。課題組成員介紹說，他們所研制出的多仿生機(jī)器魚群體協(xié)作與控制仿生機(jī)器魚，是參照魚類游動(dòng)的推進(jìn)機(jī)理，利用機(jī)械、電子元器件和智能材料實(shí)現(xiàn)水下推進(jìn)的運(yùn)動(dòng)裝置，具有低噪聲、高效率、高機(jī)動(dòng)性、高隱蔽性等特點(diǎn)。 目前，課題組已在機(jī)器人學(xué)的頂期國(guó)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(guó)際仿生機(jī)器魚領(lǐng)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(lǐng)域應(yīng)用需求的拉動(dòng)，仿生機(jī)器學(xué)（Biomimetics）研究越來越受到關(guān)注?！巴ㄟ^研究、學(xué)習(xí)、模仿的仿生學(xué)方法來復(fù)制和再造生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能、工作原理及控制機(jī)制等已成為機(jī)器人學(xué)的一項(xiàng)重要研究?jī)?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(dòng)物，經(jīng)過億萬年的自然選擇，進(jìn)化出了非凡的水中運(yùn)動(dòng)能力，其游泳技巧遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出人類現(xiàn)有的航海技術(shù)。和普通的水下推進(jìn)器相比，魚類的游動(dòng)具有高效率、高機(jī)動(dòng)性、低擾動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特

6、點(diǎn)和對(duì)復(fù)雜生存環(huán)境的高度適應(yīng)性等特點(diǎn)。 為了適應(yīng)新的需要，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家都在探索不同于螺旋槳推進(jìn)的其他高效率、機(jī)動(dòng)靈活的水下推進(jìn)方式?！胺律鷻C(jī)器魚作為魚類推進(jìn)機(jī)理和機(jī)器人技術(shù)的結(jié)合點(diǎn)，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?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景，可用于狹窄或危險(xiǎn)水下環(huán)境中的監(jiān)測(cè)、軍事偵察、水下救撈、水下考古、海洋生物觀察、水下設(shè)備檢修等工作?！? 目前，仿生機(jī)器魚系統(tǒng)的研究在理論和應(yīng)用等方面已開展了很多研究工作，研究已經(jīng)表明波動(dòng)推進(jìn)方式具有很多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。課題組成員介紹說，一些發(fā)達(dá)國(guó)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(jī)器魚，市場(chǎng)售價(jià)達(dá)到每條1

7、000美元。目前，自動(dòng)化所在這方面的研究已經(jīng)積累十余年的時(shí)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(xué)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(dòng)化大廈的一層大廳里，在水池里自由自在地游動(dòng)，總是吸引一大群小朋友駐足觀賞，或是與魚逗趣。科技處張冬梅老師把目光聚焦在研究所的這些高新科技成果上，積極搭建起科普平臺(tái)，越來越多的初中生、小學(xué)生走進(jìn)研究所實(shí)驗(yàn)室，感受科技的魅力。其中，仿生魚的參觀總是必不可少的項(xiàng)目之一。在筆者的多次帶隊(duì)參觀中，總是能感受到廣大參觀者對(duì)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(jī)器魚也已經(jīng)進(jìn)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(jī)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(xué)等其他學(xué)科知識(shí)進(jìn)行融合，從而開辟了一個(gè)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(chǔ)上對(duì)減阻、減重、動(dòng)力、算法等諸多方面進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，提出更多創(chuàng)新性的理論成果。“波動(dòng)推進(jìn)是一種不同于螺旋槳的推動(dòng)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(guān)于仿生魚的研究，離不開對(duì)魚類的觀察

9、，或者說，離不開對(duì)各種魚類相關(guān)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(duì)真實(shí)魚類C形起動(dòng)過程的細(xì)致觀察，提出了“基于虛擬C形管道的動(dòng)態(tài)軌跡法”來實(shí)現(xiàn)仿魚高機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。 課題組成員周超于2003年進(jìn)入到研究所攻讀博士學(xué)位，畢業(yè)后留在了課題組繼續(xù)進(jìn)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?yàn)檠芯眶~，對(duì)魚有了一種別樣的感情，每次看到魚的時(shí)候，總是會(huì)默默的觀賞一下，看它的行進(jìn)路徑，看它的擺動(dòng)，會(huì)想到自己所研發(fā)出來的魚的機(jī)動(dòng)性，靈活性。” 課題組喻俊志老師06年開始進(jìn)行海豚相關(guān)研究。多年來，一直潛心于觀察海豚的各種動(dòng)作?！霸谒心軌蜍S水的水生

10、動(dòng)物中，海豚采用背腹式推進(jìn)，即在豎直面內(nèi)上下拍動(dòng)尾鰭，能夠得到更佳的俯仰機(jī)動(dòng)能力，更適于在水面附近做上下翻飛的動(dòng)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(gè)老師一起開始著手研制可以躍出水面的機(jī)器海豚。這一目標(biāo)經(jīng)過多年的努力，于今年夏天取得了階段性進(jìn)展，課題組基于攻角的機(jī)器海豚快速游動(dòng)控制算法，實(shí)現(xiàn)了1.5倍體長(zhǎng)的最高直線游速，并在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了機(jī)器海豚的躍水：機(jī)器人身體完全躍出水面，并完整復(fù)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(duì)于海豚已經(jīng)有了一種特殊的感情，周末有時(shí)間的話，就會(huì)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(chǔ)階段的研究”。喻老師坦言：“要想實(shí)現(xiàn)像魚類一樣自由自在的游動(dòng)，還有很多的困難要面對(duì)，畢竟從理論到應(yīng)用還要面對(duì)更為復(fù)雜的環(huán)境考驗(yàn)，每一次成功都是建立在無數(shù)次嘗試和失敗的基礎(chǔ)上。而每一次把失敗克服之后，就又會(huì)面對(duì)新的問題，在這樣一個(gè)過程中，自己總是舍不得停下來，不知不覺便堅(jiān)持了十余年?！? 此次走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室訪談結(jié)束時(shí)，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(wù)下，對(duì)家庭投入的時(shí)間便少了，對(duì)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(huì)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?；蛟S，在他們的心里，如期實(shí)現(xiàn)仿生魚的各種動(dòng)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(yàn)中的仿生魚——優(yōu)雅轉(zhuǎn)身 試驗(yàn)中的仿生魚——群魚戲水 北京三十五中學(xué)生來所參觀仿生魚 　 如果沒有一旁的電器，你可曾會(huì)想到這是一只研制的仿生魚？ 2012年第八屆“自動(dòng)化之光”科學(xué)開放日上，中央電視臺(tái)記者拍攝報(bào)道仿生魚 .