張鳴宇，李 峰，周 鵬

（北京海鷹科技情報研究所，北京 100074）

1 引 言

仿生推進無人潛航器，是以水生生物為模仿對象，綜合了流體動力學、仿生學、導航控制、機械結構、電子、拓撲學和圖像處理等多個學科，實現(xiàn)游動方式仿生的無人潛航器。

相比常規(guī)無人潛航器采用的螺旋槳或葉輪推進，仿海洋生物游動推進的潛航器，具有明顯優(yōu)勢：第一，推進效率較高、能耗較低，克服了螺旋槳推進在產生推力的同時還產生的無用扭矩；第二，噪音較小，不易被發(fā)現(xiàn)；第三，結構尺寸和重量小，機動性強。因此，在海洋資源勘探、考古、污染源追蹤等民用領域和水下攻擊、偵察和掃雷等軍用領域均可發(fā)揮重要的作用［1-3］。

鑒于無人潛航器仿生推進技術的重要作用，國內外相關機構開展了多年研究，做了眾多仿蝠鲼、仿烏賊、仿龍蝦、仿海龜?shù)炔煌瑵摵狡鳂訖C試驗，同時也在全球范圍內布局了部分專利。為全面掌握無人潛航器仿生推進技術的發(fā)展趨勢和專利布局情況，本文基于Patsnap專利數(shù)據(jù)庫，開展了全面檢索和逐一篩選，共篩選出625 項直接相關專利。

2 專利申請趨勢

無人潛航器仿生推進技術的專利申請狀況可以分為三個階段：第一階段是20世紀90年代中期以前，主要側重于仿生推進基礎理論方面的研究和純機械式游動設計；第二階段是90年代中后期至2010年，伴隨著自動化、電機驅動、新型材料技術的進步，人們開始了真正意義上的仿生推進無人潛航器的研制，專利申請緩慢增長，年申請量大多不超過20件；第三階段是2011年至今，專利申請呈迅速增長態(tài)勢，特別是由2014年的58件、2015年的59 件，到2016年暴發(fā)性增長為123 件，如圖1所示。由于近兩年的部分專利申請尚未公開，統(tǒng)計不完全，實際申請量更多。

無人潛航器仿生推進最早可追溯于1933年，由美國專利商標局受理的專利US1928418，申請人為Charles Garland，但受限于當時科技發(fā)展，技術方案僅用純機械傳動，未采用電機或柔性致動等現(xiàn)代驅動控制手段，僅用于淺海短距離航行。

圖1 全球專利申請趨勢圖Fig.1 Global patent application trend chart

表1 專利申請情況表Table1 Table of patent application situation

圖2 第一件仿生機器魚專利US1928418附圖Fig.2 First bionic robotic fish patent

圖3 仿金槍魚潛航器實物圖Fig.3 Real object of biomimetic tuna unmanned underwater vehicle

第一件真正意義的仿生推進無人潛航器專利US5740750 由麻省理工學院水下機器人研究所Triantafyllou Michael團隊于1996年申請。通過多年仿生機理基礎研究和金槍魚的游動實驗，成功研制了世界上第一條真正意義上的仿生機器金槍魚（RoboTuna）潛航器，長約1.2 米，由2843 個零件組成，具有高級推進系統(tǒng)，包括關節(jié)式鋁合金脊柱、真空聚苯乙烯肋骨、網(wǎng)狀泡沫組織，并用聚氨基甲酸酯彈性纖維表皮包裹，裝有多臺2馬力的無刷直流伺服電動機（實際上只使用每臺電機額定功率的十分之一）、精密軸承及電路等。機器魚在多處理器控制下，通過擺動軀體和尾鰭，能像真魚一樣游動，速度可達2m/s［4］。

3 專利技術領域分布

圖4 專利US5740750附圖Fig.4 Attached figure of patent US5740750

水游生物推進模式和潛航器仿生推進機理是研究的理論基礎，包括對擺動波動、劃動、水翼推進、射流反沖等運動形式的數(shù)學描述和運動機理解析計算［5-6］。在仿生推進機理研究的基礎上，轉化為工程實際過程中還涉及仿生推進模式設計、結構與機構設計、仿生推進驅動技術、控制及建模技術，專利檢索和逐一判讀篩選出的直接相關專利也幾乎集中在這些領域。但同時，仿生機器魚、仿生烏賊等現(xiàn)實產品的研制也依托了潛艇、魚雷及常規(guī)潛航器等多數(shù)水下裝備較為通用的技術，包括能源供給、浮力材料、導航通信技術等，甚至未來向金槍魚高速游動技術的發(fā)展可能會涉及的超空泡技術等，但目前鮮有運用于仿生推進的專利申請，故不作為專利分析重點。

圖5 全球專利技術領域分布圖Fig.5 Distribution map of global patent technology field

根據(jù)仿生推進技術公開專利的實際情況，可分為仿生推進總體設計、結構與執(zhí)行機構設計、控制與建模、仿生推進機理、仿生試驗測試五大領域。全球仿生推進技術相關專利的技術領域分布如圖5所示，涉及仿生推進總體設計的專利占73%，涉及結構與執(zhí)行機構設計的專利占12%，建模與控制技術專利占11%，仿生推進基礎理論的專利占4%。在仿生推進總體設計中，采用波動擺動推進技術方案的專利占絕大部分，噴射推進有69件，水翼推進和劃動推進共22件。

無人潛航器采用仿生推進方式在水下游動時，其展向截面形狀為多項式曲線，通常有三種方法擬合曲線運動規(guī)律：剛性機構、柔性機構、智能材料。目前剛性機構的專利數(shù)量居多，無人潛航器仿生推進采用電機作為驅動源，依靠機械傳動裝置驅動推進器運動，因而存在整體結構復雜、傳動裝置易出現(xiàn)機械故障、難以實現(xiàn)大潛深等問題，近幾年來出現(xiàn)的智能材料與柔性驅動仿生推進的專利在逐步克服原有缺陷。

以仿生推進無人潛航器的波動鰭為例［7］，目前大多由有滑動關節(jié)的剛性段構件連接組成，采用液壓、電磁或電機驅動，相較于運用柔性機構或智能材料的柔性驅動增加了復雜性和潛在故障點，且滑動接頭需要適應不同距離的驅動元件，這是仿生推進系統(tǒng)中的一個常見問題。因此，無人潛航器仿生推進越來越離不開用于其航行體的柔性變形與運動的驅動器技術，要求其驅動變形大、響應快速、控制簡單、能耗低且重量輕。隨著仿生無人潛航器的微型化發(fā)展，智能材料的優(yōu)勢愈發(fā)明顯［8］。目前專利申請較多并應用在仿生無人潛航器上的智能材料主要包括形狀記憶合金、電致動聚合物、壓電材料等。與傳電機、液壓帶動齒輪、曲柄滑塊等剛性驅動不同，柔性驅動摒棄了復雜的機械傳動裝置，通常以功能聚合物或者聚合物基復合材料為基礎實現(xiàn)復雜終端運動。

4 申請人國別分布

專利申請人的國別構成如圖6所示，其中專利申請量的國別排名依次是：中國（430）、美國（81）、日本（25）、韓國（24）和德國（14）。上述排名與無人潛航器仿生推進技術的研究熱點區(qū)域基本吻合，美國和中國是目前世界上這一領域研究和專利申請的熱點區(qū)域。但美國、日本、德國的申請人專利布局區(qū)域更廣，如德國FESTO 公司的同一項專利在美、日、中、歐和世界知識產權組織均有布局。而國內申請人的專利幾乎都只在中國布局，截至目前，國內只有江蘇科技大學和廣東尚魚電子有國際專利申請，前者關于一種仿生胸鰭推進裝置基于行星齒輪機構的專利US20170152011A1 在美國布局申請，廣東尚魚電子的創(chuàng)始人盧小平關于一種仿生魚的驅動與控制方法及仿生魚的專利CN102556310B在近40個國家/地區(qū)布局。

圖6 專利申請人國別分布圖Fig.6 Country distribution of patent applicants

5 國內相關研究分析

國內無人潛航器仿生推進的相關論文最早出現(xiàn)于1995年，是東南大學陸金偉發(fā)表的介紹麻省理工學院研究成果的科普文章。國內論文發(fā)表數(shù)量從2002年開始大幅增長，2013年達到70篇。依托863 計劃機器人主題技術、國家自然科學基金、國防基礎科研等大量項目的支撐，目前處于平穩(wěn)增長期。

圖7 中國論文發(fā)表量趨勢Fig.7 Chinese publication trend

圖8 中國專利申請趨勢圖Fig.8 Chinese patent application trend

2001年，我國出現(xiàn)了第一件仿生潛航器領域的專利申請：新型單關節(jié)仿生機器魚，由北京航空航天大學梁建宏老師申請。中國無人潛航器仿生推進技術專利申請量自2001年后逐年上升。國內該領域專利申請經(jīng)歷了低速增長和高速增長兩個階段。2002年至2013年，專利總體量較少，但數(shù)量平穩(wěn)上升，最多時，年申請32 項專利。但是在2013年后專利申請數(shù)量直線上升，2016年申請120項專利。一方面由于國內高校、中科院等科研機構獲批的自然基金等項目較多，國有船舶、航天、電子、軍工等集團在仿生水下裝備領域的介入，另一方面國內有多家專注于消費級仿生機器魚產品的初創(chuàng)企業(yè)成立。例如，杭州暢動智能科技公司2016年4月注冊成立后，立即申請了44 項專利，博雅工道機器人公司的專利也大多為2016年申請。我國相關專利由之前全部為高校院所申請向民營初創(chuàng)企業(yè)大面積申請轉變，且初創(chuàng)企業(yè)同高校院所合作緊密。

6 重要申請人分析

麻省理工學院水下機器人研究所M.Traintafyllou團隊在無人潛航器仿生推進研究方面首屈一指，自20 世紀80年代就有多篇海洋生物游動機理方面的論文，在90年代初申請的專利US5401196中就證明水翼在一定的頻率和振幅等參數(shù)組合下推進效率可接近90%，采用水翼法推進雙肢協(xié)同克服了魚尾單鰭擺動過程中的側向力和重浮心偏移問題。1995年成功研制出世界上第一個真正意義的仿生推進無人潛航器，并在20 多年來不斷改進升級，申請的專利數(shù)量不算多，但引用量很大，每篇專利涉及的內容很豐富。

圖9 波士頓動力公司仿生魚Fig.9 Aquatic vehicle of boston

耐頓公司一直在生物力學界的研究浪潮中引領風騷，從自然界中擷取靈感設計水下機器人，專利US7007626公開了其四鰭驅動的仿生水下航行器Pilot Fish的技術方案。2008年耐頓公司被iRobot公司收購，成為iRobot公司海洋系統(tǒng)分部的初創(chuàng)和主體力量，專注于用于海洋勘探和軍事偵察的自主水下潛航器研發(fā)。

表2 國際主要申請人Table2 Main international applicants

表3 中國主要申請人Table3 Main Chinese applicants

中國科學院自動化所先進機器人與制造系統(tǒng)團隊、水下裝備研究團隊自2001年以來聚焦水下仿生領域，從最初跟蹤模仿到如今已具有大量自主知識產權。哈爾濱工程大學和江蘇科技大學依托海軍和海洋裝備的傳統(tǒng)優(yōu)勢拓展水下仿生領域。北京航空航天大學依托機器人研究所的專業(yè)積累，公開了智能材料、建?？刂蒲芯亢蜋C器鰻魚、機器牛鼻鲼、機器海豚等樣機試驗產品的專利。中國科學技術大學自20世紀80年代就有多篇海洋生物游動機理、數(shù)學計算的論文，后依托信息控制的學科優(yōu)勢開展仿生潛航器樣機的研制，專利數(shù)量不多，但系統(tǒng)性、延續(xù)性較強。

尚魚電子科技有限公司和博雅工道機器人科技有限公司均為國內初創(chuàng)企業(yè)。尚魚電子是一支小而強的團隊，專注于消費級但具有較高技術含量的仿生機器魚，通過申請專利，形成保護壁壘，再以知識產權與一些業(yè)內具有一定規(guī)模的公司合作，迅速將產品推向市場，通過收取專利授權費實現(xiàn)回報。例如研發(fā)出的微型機器魚授權給世界最大的玩具商之一Zuru公司，2014年銷售超過1000 萬件，產品銷售到80 多個國家，2015年還取得了迪斯尼的授權，2016年產品與電影同步開售。相應的，尚魚電子也在全球40 多個國家布局了大量專利。博雅工道成立于2015年，由北京大學工學院博士團隊創(chuàng)立，致力于推動水下潛航器從工業(yè)級走向消費級，為用戶提供水下運動搭載平臺以及水下攝影應用，目前擁有獨立知識產權機器魚產品兩款，專利16 項。

7 結束語

國內研究機構近兩年的專利申請數(shù)量激增，但同美、日等國相比，專利幾乎僅在中國本土進行布局。從專利撰寫質量、創(chuàng)新點保護、重點專利對比來看，中國專利的權利要求數(shù)、引用數(shù)量、同族數(shù)量明顯少于美國和日本的專利，例如查爾斯塔克德雷珀實驗室申請的遠海自主潛航器專利US6138604 引用達51 次，權利要求數(shù)24 個，而國內引用次數(shù)最多的專利CN101913419A被引用11 次，權利要求數(shù)7 個，獨權2301 個字，其余從權平均10 多個字。建議我國相關研究機構提高無人潛航器仿生推進技術研發(fā)過程中的專利撰寫質量，更好的運用于武器裝備的立項和未來的國際化競爭。

柔性變形與運動的驅動技術對于提高水下航行體大變形驅動、快速響應、靈敏控制、降低能耗和減輕重量仍是關鍵問題。各國在柔性驅動技術的專利申請量逐漸增多，但柔性驅動器、記憶合金等柔性材料應用于仿生推進領域的專利申請量還很少，柔性驅動未來的工程化應用仍將持續(xù)。舉例來說，關于復雜曲面驅動器的研究尚處于探索階段，現(xiàn)有的基于 IPMC（離子交換聚合金屬材料）型柔性驅動器中，有的僅利用了IPMC的單自由度彎曲變形，有的雖然在研究多自由度彎曲變形但卻未用到傳感功能，而對于兼?zhèn)鋫鞲泄δ芎椭聞庸δ艿年嚵惺饺嵝则寗悠鞯姆植荚O計及研究幾乎空白，專利申請尚未發(fā)現(xiàn)。建議國內研發(fā)機構可以尋求電致動聚合物、壓電材料、記憶合金、離子交換聚合金屬等智能材料應用于水下航行體仿生推進設計中，解決無人潛航器仿生推進技術發(fā)展的瓶頸。

國內在無人潛航器領域的專利申請主體主要是高校和科研院所，且大多處于工程化樣機研發(fā)階段。而美國和日本的創(chuàng)新主體大多是企業(yè)，與大學通過產學研結合實現(xiàn)了商業(yè)化運營。例如擅長仿生警用無人潛航器和兩棲仿生潛航器的美國iRobot公司于1990年由美國麻省理工學院教授羅德尼布魯克斯及其同事創(chuàng)立。建議國內高校加強潛航器技術孵化，同創(chuàng)新型微小企業(yè)緊密合作，彌補同發(fā)達國家存在的產業(yè)化差距。