水中精灵

吴正兴

清澈的水池里，几条小鱼在欢快嬉戏。在水池一侧，几位博士正紧张地盯着屏幕上的数据和程序，随着鱼儿游来游去，不断调整着各类编程代码。原来水池里欢快的小鱼并非真鱼，而是一条条机器鱼，这是中科院自动化研究所的研究人员正在做的机器鱼实验。他们在考虑如何进一步改进控制算法，使仿生鱼完美地呈现鱼的游动形态。

鱼类游动带来的科技灵感

随着科技的蓬勃发展和经济、军事等领域应用需求的拉动，仿生机器学越来越受到关注。而在水下仿生领域，针对鱼类和海豚类等水生动物的仿生推进研究，也是当今的研究热点之一。

自然界的鱼类，经过亿万年的自然进化，发展出令人惊异的水中游动技能。凭借优异的生理结构和非凡的游动技能，鱼类既能够高效率地持久巡游，也能够爆发式地起动转向。鱼类游动的高效率、高机动等特征，都远超目前各种人造水下航行器。

借鉴生物体的形态结构、功能及运动机理，能为人工系统提供新的设计思想和控制理念，是提高人工系统性能的有效途径，也是机器人研究领域的一项重要内容。因此，国内外的科研人员关注鱼类的形态结构及游动方式，希望能够借鉴到水下航行器的研制中，提高水下航行器的性能。

那么仿生机器鱼是如何模仿鱼类在水下运动的呢？在对鱼类的结构及其推进方式的运动分析的基础上，科学家们综合运用机械设计、电子技术、自动控制等多学科知识，通过控制鱼体和鱼鳍按照一定的规律进行拍动或波动运动，可在水下形成特定的涡流流场并产生推力，实现仿生机器鱼的推进。而通过调整鱼体或鱼鳍的姿态和运动规律，可实现仿生机器鱼的转弯、倒退、浮潜等机动运动。

仿生机器鱼具有机动性能强、噪声低、扰动小及隐蔽性好等优点。而这恰恰符合人们对新一代自主水下航行器应兼具机动性、高速性、隐蔽性及低扰动性于一体的需求。为此，科学家们正尝试从生物学、力学、机械学、人工智能等各个角度来探索鱼类高性能水下推进的机制，并希望能够借鉴到水下航行器的研制中。

多种多样的水中精灵

与基于传统螺旋桨推进的水下航行器相比，机器鱼实现了推进器与舵的统一，从而更加适合在狭窄、复杂和动态的水下环境中进行监测、搜索、勘探及救援等作业。

1994年，美国麻省理工学院成功研制出世界上第一条真正意义的仿生机器鱼——仿生金枪鱼（RoboTuna）。随后，越来越多的科研机构开始关注并研究仿生机器鱼。据统计，从1995年到2015年，尤其是近十年间，机器鱼及机器海豚的研究成果大幅增加，研究内容也涉及推进机理、运动控制、多传感器信息处理等多个方面。下面为大家简单介绍几种仿生机器鱼系统。

高机动机器鱼

高机动机器鱼是以追求高灵活性和高机动性为目标的仿生机器鱼。它能够模仿鱼类的C形起动和S形起动等行为，实现快速的起动转向，例如快速的45°、90°、180°等C形转向及灵活的左右扭动。根据机器鱼内置的陀螺仪传感器，测得它的最快平均转向速度达到460°/s，峰值速度达到672°/s，是目前国际已经报道过的同类科研成果中转向速度最快的仿生机器鱼。

两栖机器鱼

两栖机器鱼，是面向陆地及水下两栖环境执行任务的仿生机器鱼，它是一种能在复杂水陆环境中工作的机器人系统，在民用和军事领域均有广阔的应用前景。两栖机器鱼以仿鱼推进技术为基础，辅以轮、桨、鳍等复合推进机构，兼具快速游动性能、强大的环境感知功能及良好的水陆环境适应能力。在水中，两栖机器鱼能够有效利用四关节鱼体的摆动实现仿鱼式推进运动;而陆地上，两栖机器鱼则能够利用轮式机构，实现像车一样的快速前进。此外，该两栖机器鱼安装有液位探测器，能够分辨所处环境是陆地环境还是水下环境，从而自主切换运动方式，更好地适应环境，执行任务。

高仿真机器锦鲤

高仿真锦鲤机器鱼的外形，几乎能够以假乱真。实际上，它美丽的外皮采用柔软的硅胶皮制作，能够起到较好的防水效果。而鱼体内部利用三个舵机的反复转动，实现鱼体关节的左右摆动。由于在机器鱼的头部安装有控制板、电池及通信设备等，因此，该机器鱼能够根据人们发送的命令完成变速游动、转向等动作。此外，该机器鱼的双眼采用红外传感器制作，能够感应到障碍物而快速躲开。目前，该机器鱼已在较多的科技馆进行过表演，并与观众互动，起到了较好的科普教育作用。

长鳍波动机器鱼

长鳍波动机器鱼以海洋中的鳐鱼为仿生对象，利用两侧长鳍的波动产生有效的推进力来游动。长鳍鱼的两侧分布有鳍条，能够按照正弦规律带动鳍面波动。根据两侧鳍面的对称及非对称波动，长鳍鱼能够实现前游、倒游、转向、浮潜等动作。与前述仿生机器鱼相比，长鳍鱼虽然速度较慢，灵活性差，但是在低速场合具有稳定性好、抗干扰能力强等优点，适合水下作业等应用。

不过，水下仿生机器人专家还面临一个重要的难题：生物学家还没有完全揭示鱼类高性能游动的机理。因此，未来的仿生机器鱼研究，还将在实现高速度、高机动及高效率的运动性能上下苦功。