水下仿生机器人研究现状及发展趋势

郝欣恺

摘 要：為了探讨与分析水下仿生机器人未来的发展方向和发展趋势，本文对国内外研究学者对水下仿生机器人的研究成果进行分析与总结。本文对水下仿生机器人的研究现状和应用情况进行分析，并探讨了未来水下仿生机器人的发展趋势。研究结果表明，本文分析的水下仿生机器人未来发展方向和发展趋势具有可信度，能够给其他研究关于水下仿生机器人的研究学者提供参考。

关键词：水下仿生机器人;研究现状;发展趋势

1.前言

浩瀚无边的海洋不仅仅涵盖着人类文明的精神宝藏，也蕴含着丰富的自然财富，比如，海洋生物、海底矿产等。随着，人类科学文明的不断进步，人类研究并开发了水下机器人，其成为了人类探索深海奥秘和挖掘海洋宝藏的重要工具，更是人类从事海洋实践活动不可缺少的主要工具。

水下仿生机器人，指的是采用各种信息科学技术，比如，人工智能技术、机械设计技术、微电子技术等，其模仿了海洋运动生物的运动机理，是一种运动装置。

2.水下仿生机器人的研究现状

上个世纪末，人类第一次研究并制作出以金枪鱼为仿生对象的水下机器人，此后，仿生水下机器人成为了学术界的热门研究课题，并探讨其在不同领域中的应用，比如，水质检测、军事侦察、教育娱乐和探测避障，如图1。

2.1 水质监测

2012年，欧洲研究人员观测到鱼群协调配合的现象，他们以金枪鱼作为仿生对象进行了SHOAL项目，研发了多条体长为1.5m的仿生机器鱼并进行实验，研究结果表明，SHOAL项目研发的仿生机器鱼能够扩大水质检测范围[1]。

2014年，美国大学研究团队共同研发了一款水下滑翔机器鱼，并将这款机器鱼取名为“Grace”，这款机器鱼区别于传统仿生机器鱼，其具有优秀的滑翔功能，能够节省能量增大水质检测的作业范围，同时，“Grace”被放入密歇根州鹿蹄草湖进行了水质样本采集实验和水质检测实验。实验研究结果表明，该机器鱼能够在节约能源的基础上扩大水质检测范围。

2.2 军事侦察

2014年，美国海军与波士顿动力联合研究与开发了一款仿生水下机器人，他们以金枪鱼作为仿生对象，将其命名为“Silent Nemo”，该仿生水下机器人体长1.5m，重量约为45kg，其前进的动力主要依靠身体关节和尾鳍的摆动，并能够灵活地调整前进方向[2]。

2.3 教育娱乐

2008年，韩国全南大学研究与制作了一款面向娱乐的仿生机器人，该款机器人以海豚作为仿生对象，该仿生机器人具有多重功能，其不仅仅能够张开嘴部和闭合嘴部，其还能够通过尾部摆动来溅起水花，并具有喷水功能，能够实现人机互动。

2009年，中国科学院研究与开发了一款小型仿生水下机器人，其以海豚作为仿生对象，其目的在于面向大众科普知识与娱乐，该机器属于小型仿生水下机器人，体长仅为0.56m，尾部主要有两个部分构成，分别是俯仰关节和偏航关节，该机器海豚的头部内置重心调节设备，能够科学高效地实现浮潜运动，此外，该机器海豚所在的水池边装有上位机，能够实现该仿生水下机器人与游客进行互动。

2.4 探测避障

2015年，台湾学者Yung-Lien Wan设计并研发了一款新颖的仿生机器人，其以海豚作为仿生对象，具有自主运动功能。这款仿生机器人的尾部分为两个部分，分别是俯仰关节与偏转关节，前者能够控制仿生机器人的前进快慢，而后者能够控制仿生机器人的运动方向。此外，该款仿生机器人还能够自主进行浮潜运动，其主要依靠改变该机器人的重心，从而实现海豚俯仰角的改变。同时，该款仿生机器人还能够捕捉实时图像，若运用神经网络学习算法，就能够对该仿生机器人捕捉到的图像信息进行分析与处理，从而了解实时情况，进而躲避障碍物，因此，该仿生机器人还具有避障功能。

3.水下仿生机器人研究方向与发展趋势

水下机器人已经能够模仿水中生物的形态、动作和功能，并具有多重优点，比如，灵活性强、环保性高、能量利用率高，同时，本文根据当前国内外研究学者对水下仿生机器人的分析与研究，探讨水下仿生机器人研究方向与发展趋势。

3.1 水下仿生机器人驱动装置优化

目前，大部分的仿生机器人都是采用电机驱动方式，水下方式机器人也是如此，但是，随着科学技术水平不断提高，各种新型智能材料开始被运用到人们的生产和生活当中，比如，形状记忆合金、压电陶瓷、人工肌肉等，这些新型智能材料能够取代传统的电机驱动模式，还能够实现驱动装置的便捷化和轻量化，同时还能够科学高效地扩张有效利用空间。

3.2 水下仿生机器人的运动机理完善化

目前，越来越多的专家和研究学者开始对深海运动生物的游动机理进行深入分析，并将深海运动生物的游动机理应用到驱动装置的优化策略当中，并结合全新的耐压机制，这能够使得未来的仿生水下机器人深潜成为可能，也能够有效地提高水下仿生机器人的运动速率，实现水下仿生机器人运动的灵活性和美观性[3]。

3.3 水下仿生机器人智能性提升

随着信息科学技术的发展，人工智能技术、大数据技术、自动控制技术等也正处于飞速发展阶段，因此，越来越多的研究学者试图将这些信息科学技术运用到水下仿生机器人领域当中，以期水下仿生机器人的智能性能够不断提高，并具备多重智能功能，比如，信息交互能力、环境感知能力、避障能力等。

3.4 群体水下仿生机器人的发展

众所周知，众人拾柴火焰高，在海洋里，一条鱼的力量也许很微弱，但是一群鱼的力量就很强大，当鱼类聚集在一起时，能够表现出强大的群体力量，并发挥强大的团队合作精神，具体体现在寻找食物、逃避敌害等方面。同样地，单个仿生水下机器人的活动范围与能力具有局限性，而人类正在尝试让仿生水下机器人在复杂环境下进行各种繁杂艰巨的任务，比如，海洋监测、军事观察等，因此，在未来，群体水下仿生机器人将会是未来研究发展的主要趋势。

4.结论

目前，水下仿生机器人具有多重优点，分别是高机动、低扰动、无污染、高效性，这也使得水下仿生机器人在不久的将来将会成为水下航行器中的一大重要分支，此外，越来越多的研究学者会对水下仿生机器人进行更进一步的分析与研究，并探讨水下仿生机器人的应用领域。

参考文献

[1]王扬威，王振龙，李健.微小型水下仿生机器人研究现状及发展趋势[J].微特电机，2010，38（12）：66-69.

[2]闫勇程，王扬威，兰博文，赵东标.水下仿生机器人CPG控制方法研究现状综述[J].微特电机，2017，45（11）：72-77.

[3]王延杰，郝牧宇，张霖，骆敏舟.基于智能驱动材料的水下仿生机器人发展综述[J].水下无人系统学报，2019，27（2）：123-133.