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仿豹魴鮄機器魚????張雙虎攝

■本報記者 張雙虎

在中國科學(xué)院自動化研究所（以下簡稱中科院自動化所）機器魚實驗室寬大的水池中，一條黑色的“大魚”烏木般靜靜浮在水面?！按篝~”長約70厘米，通體黑色，淺黃色半透明的魚鰭幾乎融入水池背景中。

隨著工作人員在鍵盤上敲下幾行指令，“大魚”瞬間滿血復(fù)活。它寬大的胸鰭拍打著水面“啪啪”作響。幾秒后，大魚沒入水中，開始在水下游動、翻轉(zhuǎn)、定深。

這是中科院自動化所復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國家重點實驗研究員王碩團隊在測試最新研制的仿生機器魚——仿豹魴鮄機器魚（RobDact）。RobDact擁有一對波動長鰭與一個大功率雙關(guān)節(jié)尾鰭，可實現(xiàn)原地旋轉(zhuǎn)、浮潛以及狹窄的空間內(nèi)自由運動。它同時具有一定載荷能力，以及良好的環(huán)境友好性、機動性和運動穩(wěn)定性。

“綜合冠軍”面世

“它（RobDact）可以說是個‘綜合冠軍’?！蓖醮T告訴《中國科學(xué)報》，“我們以前也做過幾款仿生機器魚，如仿鰩魚、仿海豚等，相對于尾鰭推進的機器魚，仿豹魴鮄機器魚在推進速度和快速機動方面并非最好，但它勝在綜合性能上，兼顧了速度和垂直、水平方向的位姿控制精度，具有較好的推進性能和低速姿態(tài)穩(wěn)定控制的能力?！?/p>

該團隊成員、中科院自動化所復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國家重點實驗副研究員王睿介紹說，RobDact在姿態(tài)的穩(wěn)定性上，采用像鰩魚那種推進方式，兩側(cè)有比較大的胸鰭，能讓它在水下很好地保持姿態(tài)地穩(wěn)定性。

“以前的機器魚在水下必須一直保持運動狀態(tài)，如果要觀察某個特定點，必須像衛(wèi)星一樣，繞著目標(biāo)不停轉(zhuǎn)圈才能看清。一旦水下有些擾動，它就會偏離方向、失去目標(biāo)，要再游一圈才能把頭轉(zhuǎn)回來重新對焦?！蓖躅Α吨袊茖W(xué)報》說，“RobDact可以靠兩側(cè)鰭的上下左右擺動來調(diào)整位置，始終把要觀察的目標(biāo)定在視野當(dāng)中，做到定點懸停?！?/p>

“和我們平時拍照一樣，相機拿得穩(wěn)，拍出來的照片才清晰。”王碩說，“在進行水下研究時，如果攜帶相機的機器魚能夠定點懸停，就相當(dāng)于我們拿相機的手不抖了，它拍出的照片就會更清晰?！?/p>

仿生的魅力

王碩介紹說，在億萬年的自然選擇過程中，魚類進化出了非凡的水中運動能力。仿生機器魚將魚類的推進運動設(shè)定為理想條件下，建立在魚類身體連續(xù)的、周期性的形變基礎(chǔ)之上。

而通過魚類運動的觀察和仿生機器魚游動試驗，中科院自動化所復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國家重點實驗室研究員譚民等研究人員發(fā)現(xiàn)魚體質(zhì)心在水平面內(nèi)繞前進方向軸的波動將增大側(cè)向擾動力、降低推力和方向穩(wěn)定性，即魚類自身線密度分布對其運動性能存在較大影響。因此，提出了包含形變描述和線密度描述的“基波”概念，并依據(jù)“基波”建立了魚體波動運動模型，在充分考慮線密度影響的基礎(chǔ)上，提出了仿生機器魚的穩(wěn)定游動推進控制方法，為仿魚機器人的設(shè)計和控制奠定了理論基礎(chǔ)。

20多年來，王碩團隊研制出了一系列應(yīng)用于不同場景的機器魚。他們研制的仿生鰩魚借鑒了鰩魚的推進結(jié)構(gòu)，并掛載了一個輕量的機械臂，可以抓取物體。

2018年，仿生鰩魚參加獐子島水下機器人大賽，下海抓取海參、海膽、扇貝等，經(jīng)過一番角逐，團隊取得了目標(biāo)識別在線組第一名、定點抓取組三等獎的成績。

2019年，該團隊研制的仿生鯉魚能依靠身體各個關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)配合，在水中靈活游動，并將采集到的水質(zhì)參數(shù)（pH值、溫度、電導(dǎo)率等）實時上傳。

“傳統(tǒng)的機器魚也能實現(xiàn)懸停，但一般會通過水箱方式，或者動力方式（螺旋槳推進）來實現(xiàn)懸停。前者需要很大的水箱進行抽水排水，后者必須在運動當(dāng)中，通過實時舵面調(diào)整才能保證在一定深度上維持懸停的推力，所以它必須不斷運動，因此面臨位姿、速度等實時控制問題?！蓖醮T說，“此外，靠螺旋槳推進或下潛的機器魚在運動時，螺旋槳會傷害魚類或其他水底生物。仿生機器魚用類似魚鰭的結(jié)構(gòu)作為動力，這種結(jié)構(gòu)一是不會對水下動物造成傷害，二是可以靠近魚類進行研究?！?/p>

在自然界中，豹魴鮄擁有一對靈活的胸鰭與有力的尾鰭，這讓它既可以靈活、穩(wěn)定地低速游動，又可以大范圍地快速運動。受豹魴鮄運動方式的啟發(fā)，研究人員為RobDact設(shè)計了兩個胸鰭，從而實現(xiàn)垂直方向的下潛、水平方向轉(zhuǎn)彎和在一定深度上定深懸停。為保證RobDact有較好的推進性能，研究人員還給它設(shè)計了尾鰭，通過尾鰭擺動，保證它在向前游動時，有比較理想的速度。因此，RobDact可以在狹窄或危險水下環(huán)境中作業(yè),具有重要的研究價值和應(yīng)用前景。

更好的性能

“這款機器魚可通過遙控和帶纜線水下作業(yè)兩種方式工作，也可以事先給它定一個目標(biāo)，讓它在水下獨立完成后浮出水面。”王碩說，“目前仿生魚在結(jié)構(gòu)設(shè)計上還有很多困難亟待克服，比如，很難把不同類型魚的優(yōu)點整合到一種機器魚身上。”

目前，RobDact的設(shè)計負(fù)載是兩公斤，根據(jù)載荷的不同，可以實現(xiàn)對目標(biāo)的識別、監(jiān)測、躲避和抓取。

王碩介紹說，豹魴鮄經(jīng)常在砂泥質(zhì)海底游動，長期對環(huán)境的適應(yīng)讓它有很好的機動性。如果遇到捕食者，它可以很快地在復(fù)雜環(huán)境里穿行規(guī)避。在開闊水域，它會有不錯的速度。然而，盡管RobDact的機動性、姿態(tài)控制能力大大提升，但鰭面比較大，這也增加了它前進的阻力。

“機器魚設(shè)計要綜合考慮體積、外形、重量等因素，在盡可能減輕重量的同時保持整體平衡。另外，還要考慮它工作的時長、傳感器如何來配置，以及如何更好地水下通信等問題?！蓖醮T說，“下一步我們會考慮如何把它的鰭做成可伸縮結(jié)構(gòu)，當(dāng)需要調(diào)整姿態(tài)或懸停時就伸出來，需要游動起來的時候把它收起來，從而更好地提高綜合性能?！?/p> 《中國科學(xué)報》 (2021-05-27 第3版 信息技術(shù))


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