灵感来自海滩上的弹涂鱼

陈彦希 王佳佳

退潮时，厦门的沙坡尾海滩上常常可以看到一些黑乎乎的、爬来爬去，还不停跳跃的鱼，那就是弹涂鱼。

弹涂鱼不仅可以在岸上爬，还能在水里游，这种两栖的特点吸引了厦门大学海洋与地球学院的张宇教授，并让他产生了发明“两栖机器人”的想法。

经过长时间设计研发，这一想法终于成真。不久前，张宇团队及其合作者研发的“仿生弹涂鱼两栖机器人（MIARF）”终于亮相。

实地测试证明，该机器人能够根据水陆两种不同的运动环境，采用不同的运动模式——通过胸鳍-尾鳍的协调作用，实现陆地及水下复杂环境中的高能量效率与高机动性。近日，相关成果发表于Cell旗下期刊《Cell Reports Physical Science》。

专门研究鱼的团队

实际上，这不是张宇团队第一次研究仿生机器鱼了。在此之前，团队就曾开展过许多关于仿生鱼的研究——仿生鲨鱼、仿生刀鱼、仿生金枪鱼、仿生水母

为什么要研究仿生鱼？海洋约占地球表面积的71%，但对于人类来说，约95%的海洋是未知的。因此，认识海洋、探测海洋成为一个迫切的问题。而仿生机器人作为认识和探测海洋的前沿载体技术，起着重要作用。相比起人，机器人更适合在复杂和缺氧的水下环境进行大量探测。

传统的工业机器人一般通过螺旋桨驱动或空轮式驱动，机动性较差，在狭小的空间内，传统工业机器人无法有效工作。而真实的生物，比如鱼类，可以在远小于自身身体大小的空间里有效转向，这对于研究在复杂空间内作业的仿生机器人有重要借鉴意义。

两栖机器人既能入水，又可上地，灵活适应环境，能够完成需要跨介质的环境监测、搜索救援等工作。但由于技术原因，大部分的两栖机器人难以实现有效的两极切换，且尺寸笨重、噪声较大、运动效率低下、隐蔽性不强。于是，张宇团队基于弹涂鱼的生物灵感，设计了一款具有较高运动效率和环境适应性的机器鱼。

仿生弹涂鱼，银奖！

这项颇具创新点的课题，最早要追溯到2019年的一次比赛。

在往年的国际水中机器人大赛（现国际先进机器人及仿真技术大赛）中，厦门大学海洋与地球学院就曾用仿生鲨鱼拿下过金奖。2019年，张宇带领学生团队参赛时，他们犯了难——这一次做什么“鱼”好呢？张宇灵光一闪，给项目成员提了一个特别的建议：“我们这次做弹涂鱼！”

那么，如何用机器模仿弹涂鱼的两栖行为呢？

实际上，弹涂鱼能在陆地上运动，它发达的胸鳍“功不可没”。在地面上活动时，弹涂鱼的胸鳍就像两根拐杖，它会先伸出“拐杖”支撑起身体，然后迅速地把身体拖向前去。如此反复，宛如一个使用双拐行走的人。而在水下，弹涂鱼则使用尾鳍和身体的摆动来完成游动。

当时的项目成员采用多舵机驱动的方式，用多个舵机实现胸鳍的爬行，一个舵机实现尾部的摆动，简单地将两种功能组合在了一起。这个项目最终获得了该比赛的银奖，但在张宇眼中，它的潜力远不止于此。但由于当时缺乏合适的人才，仿生弹涂鱼这个点子，就此沉寂了下去。

仿生弹涂鱼，再生！

事情在2021年迎來了转机。

张宇说：“从科创到形成真正意义上的科研突破，需要有针对性地研究问题。比如要研究材料、控制或是流体，如何从一个现象中去提取规律，这都要找到合适的人。”

而对仿生机器人有浓厚兴趣、本科学习过程装备与控制工程专业的研究生郑炜，以及从事流体力学研究的博士后林中路等同学就是张宇口中“合适的人”。他们加入后，一个由本科生、硕博士生、博士后组成的团队渐成规模，仿生弹涂鱼的项目又开始了“新生之路”。

如何把本科大创（全称为“大学生创新创业训练计划项目”）的仿生弹涂鱼这样的研究雏形，改造为更加成熟、更具应用价值的科研成果呢？

首先，要将仿生弹涂鱼的两栖功能有机地组合起来，充分发挥胸鳍和尾鳍的协调作用，而不仅仅是简单拼凑。

通过长时间观察以及查阅大量文献，团队成员发现，虽然弹涂鱼主要依靠胸鳍在陆地上运动，但它的尾鳍也起到了重要的协调作用。尾鳍通过对地面的摩擦，使弹涂鱼可以很好地转向。于是，项目组将胸鳍和尾鳍的运动有效地协调起来，从而大大减小了机器鱼的转向半径，提高了转向速度。

而在水下，胸鳍发挥了稳定平衡和浮潜的作用。胸鳍就像飞机的机翼，当胸鳍向上折，弹涂鱼就可以往下沉；而当胸鳍向下折，弹涂鱼就能浮起来。基于此，团队成员进一步完善了仿生机器鱼在水下的运动。

此外，优化弹涂鱼模型的过程，还涉及胸鳍材料选取、流体力学设计等问题

经过团队成员的不断修改和打磨，最终，仿生弹涂鱼具有了高机动性和环境适应性，其陆地和水下运动的最小运输成本分别为4.56和2.02，优于许多现有的两栖和单模态机器人。

其实，团队的很多科研灵感，最初都来源于一个本科生俱乐部。2016年，张宇带领一群热爱海洋仿生的学生，建立了水下探测机器人创新俱乐部。他们从自然界中提炼有意思的现象，挖掘出机制上的创新点，通过科学的方法将其运用到实际中。几年来，俱乐部成员拿下过多次国际先进机器人及仿真技术大赛的奖项，一些同学本科毕业后，又进入了张宇的团队读研，继续致力于水下机器人的研究

“仿生弹涂鱼这类的两栖机器人研究，在国内乃至世界范围内都不算成熟，我们也是摸着石头过河。在科研中，只有广泛地去研究，才能有不一样的结果。”郑炜说。

未来，张宇团队希望通过进一步研究，使仿生弹涂鱼在环境探测、生态保护等方面实现大规模、低功耗、网络化的应用。

责任编辑：丁莉莎