吳正興

清澈的水池里，幾條小魚在歡快嬉戲。在水池一側，幾位博士正緊張地盯著屏幕上的數據和程序，隨著魚兒游來游去，不斷調整著各類編程代碼。原來水池里歡快的小魚并非真魚，而是一條條機器魚，這是中科院自動化研究所的研究人員正在做的機器魚實驗。他們在考慮如何進一步改進控制算法，使仿生魚完美地呈現魚的游動形態(tài)。

魚類游動帶來的科技靈感

隨著科技的蓬勃發(fā)展和經濟、軍事等領域應用需求的拉動，仿生機器學越來越受到關注。而在水下仿生領域，針對魚類和海豚類等水生動物的仿生推進研究，也是當今的研究熱點之一。

自然界的魚類，經過億萬年的自然進化，發(fā)展出令人驚異的水中游動技能。憑借優(yōu)異的生理結構和非凡的游動技能，魚類既能夠高效率地持久巡游，也能夠爆發(fā)式地起動轉向。魚類游動的高效率、高機動等特征，都遠超目前各種人造水下航行器。

借鑒生物體的形態(tài)結構、功能及運動機理，能為人工系統(tǒng)提供新的設計思想和控制理念，是提高人工系統(tǒng)性能的有效途徑，也是機器人研究領域的一項重要內容。因此，國內外的科研人員關注魚類的形態(tài)結構及游動方式，希望能夠借鑒到水下航行器的研制中，提高水下航行器的性能。

那么仿生機器魚是如何模仿魚類在水下運動的呢？在對魚類的結構及其推進方式的運動分析的基礎上，科學家們綜合運用機械設計、電子技術、自動控制等多學科知識，通過控制魚體和魚鰭按照一定的規(guī)律進行拍動或波動運動，可在水下形成特定的渦流流場并產生推力，實現仿生機器魚的推進。而通過調整魚體或魚鰭的姿態(tài)和運動規(guī)律，可實現仿生機器魚的轉彎、倒退、浮潛等機動運動。

仿生機器魚具有機動性能強、噪聲低、擾動小及隱蔽性好等優(yōu)點。而這恰恰符合人們對新一代自主水下航行器應兼具機動性、高速性、隱蔽性及低擾動性于一體的需求。為此，科學家們正嘗試從生物學、力學、機械學、人工智能等各個角度來探索魚類高性能水下推進的機制，并希望能夠借鑒到水下航行器的研制中。

多種多樣的水中精靈

與基于傳統(tǒng)螺旋槳推進的水下航行器相比，機器魚實現了推進器與舵的統(tǒng)一，從而更加適合在狹窄、復雜和動態(tài)的水下環(huán)境中進行監(jiān)測、搜索、勘探及救援等作業(yè)。

1994年，美國麻省理工學院成功研制出世界上第一條真正意義的仿生機器魚——仿生金槍魚（RoboTuna）。隨后，越來越多的科研機構開始關注并研究仿生機器魚。據統(tǒng)計，從1995年到2015年，尤其是近十年間，機器魚及機器海豚的研究成果大幅增加，研究內容也涉及推進機理、運動控制、多傳感器信息處理等多個方面。下面為大家簡單介紹幾種仿生機器魚系統(tǒng)。

高機動機器魚

高機動機器魚是以追求高靈活性和高機動性為目標的仿生機器魚。它能夠模仿魚類的C形起動和S形起動等行為，實現快速的起動轉向，例如快速的45°、90°、180°等C形轉向及靈活的左右扭動。根據機器魚內置的陀螺儀傳感器，測得它的最快平均轉向速度達到460°/s，峰值速度達到672°/s，是目前國際已經報道過的同類科研成果中轉向速度最快的仿生機器魚。

兩棲機器魚

兩棲機器魚，是面向陸地及水下兩棲環(huán)境執(zhí)行任務的仿生機器魚，它是一種能在復雜水陸環(huán)境中工作的機器人系統(tǒng)，在民用和軍事領域均有廣闊的應用前景。兩棲機器魚以仿魚推進技術為基礎，輔以輪、槳、鰭等復合推進機構，兼具快速游動性能、強大的環(huán)境感知功能及良好的水陸環(huán)境適應能力。在水中，兩棲機器魚能夠有效利用四關節(jié)魚體的擺動實現仿魚式推進運動;而陸地上，兩棲機器魚則能夠利用輪式機構，實現像車一樣的快速前進。此外，該兩棲機器魚安裝有液位探測器，能夠分辨所處環(huán)境是陸地環(huán)境還是水下環(huán)境，從而自主切換運動方式，更好地適應環(huán)境，執(zhí)行任務。

高仿真機器錦鯉

高仿真錦鯉機器魚的外形，幾乎能夠以假亂真。實際上，它美麗的外皮采用柔軟的硅膠皮制作，能夠起到較好的防水效果。而魚體內部利用三個舵機的反復轉動，實現魚體關節(jié)的左右擺動。由于在機器魚的頭部安裝有控制板、電池及通信設備等，因此，該機器魚能夠根據人們發(fā)送的命令完成變速游動、轉向等動作。此外，該機器魚的雙眼采用紅外傳感器制作，能夠感應到障礙物而快速躲開。目前，該機器魚已在較多的科技館進行過表演，并與觀眾互動，起到了較好的科普教育作用。

長鰭波動機器魚

長鰭波動機器魚以海洋中的鰩魚為仿生對象，利用兩側長鰭的波動產生有效的推進力來游動。長鰭魚的兩側分布有鰭條，能夠按照正弦規(guī)律帶動鰭面波動。根據兩側鰭面的對稱及非對稱波動，長鰭魚能夠實現前游、倒游、轉向、浮潛等動作。與前述仿生機器魚相比，長鰭魚雖然速度較慢，靈活性差，但是在低速場合具有穩(wěn)定性好、抗干擾能力強等優(yōu)點，適合水下作業(yè)等應用。

不過，水下仿生機器人專家還面臨一個重要的難題：生物學家還沒有完全揭示魚類高性能游動的機理。因此，未來的仿生機器魚研究，還將在實現高速度、高機動及高效率的運動性能上下苦功。