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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(zhǔn)是會回答:“清蒸的的話會是非常的鮮美,紅燒的的話口感應(yīng)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(yù)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(guān)于仿生機器魚的話題。 仿生機器

2、魚的研究工作由復(fù)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(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。順著時間的脈絡(luò),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(xué)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(yīng)用于工業(yè)設(shè)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(wù)的環(huán)境適應(yīng)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(guān)節(jié)仿生機器魚的基礎(chǔ)上,總結(jié)設(shè)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(shè)計的機器魚既可實現(xiàn)俯仰和浮潛,響應(yīng)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(chǔ)上,結(jié)合仿生學(xué)、機器人學(xué)、材料學(xué)、機械學(xué)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(biāo),目前已實現(xiàn)利用多模式控制技術(shù)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(xué)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(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,仿生機器學(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、工作原理及控制機制等已成為機器人學(xué)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(shù)。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(fù)雜生存環(huán)境的高度適應(yīng)性等特點。 為了適應(yīng)新的需要,國內(nèi)外科學(xué)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(shù)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(yīng)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(shè)備檢修等工作?!? 目前,仿生機器魚系統(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(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(xué)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(xué)等其他學(xué)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(chǔ)上對減阻、減重、動力、算法等諸多方面進行技術(shù)攻關(guān),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(guān)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(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(xué)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。“因為研究魚,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(guān)研究。多年來,一直潛心于觀察海豚的各種動作。“在所有能夠躍水的水生

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(biāo)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(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(chǔ)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(yīng)用還要面對更為復(fù)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(chǔ)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(wù)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(xué)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(xué)開放日上,中央電視臺記者拍攝報道仿生魚 .

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