機械魚、機械水母、機械海豚……快拿我的精靈球來

在遙遠的南太平洋，斐濟海域，

一條通體雪白的魚正在水中游弋，

搖著尾鰭穿過珊瑚礁，

上下浮動，左右搖擺，

它看上去和周圍的同類並沒有什麼不同，

而在不遠處，

潛水員手中的任天堂手柄

暴露了它的與眾不同

這條在水中自由遊走的魚，正是近日自麻省理工學院計算機科學與人工智慧實驗室對外公布的機器魚SoFi……

機械魚SoFi沒有血肉和骨架，通過手柄控制，身體內部是滿滿的機械構造。為什麼SoFi能夠在水中如此自由的遊動， 中國科學院自動化研究所喻俊志研究員詳細介紹了SoFi的驅動原理。

喻俊志告訴科技日報記者，為了實現遊動，SoFi機器魚有一個驅動機構將水抽進兩個球狀腔體中，當一個腔體膨脹時，身體會彎曲到一邊，當執行機構把水推到另一個腔體時，身體就會向另一個方向彎曲。類似於發動機的一組活塞，通過往複運動驅使機器魚像真魚一樣左右擺動。

值得一提的是SoFi採用軟體驅動機制設計，擺脫了剛體機構約束，「而軟體仿生必將是以後機器魚的發展方向。」喻俊志說。

其實，除了SoFi、機械狗魚、機械海豚和機械水母，早已有眾多仿生生物在水中暢遊了。

師法自然的機械設計

和運動控制

喻俊志介紹，仿生魚能在水中如此靈活地遊動，這主要得益於機械設計和運動控制兩方面的結合。

自然界中，漫長的自然選擇和進化賦予了魚類超凡的水下運動天賦。憑藉優異的生理構造和遊動機制，魚類的遊動性能遠超現有的航行器。

「能者為師，我們以生物解剖學為基礎，對仿生機器魚的外部形態和內部質量分布進行設計。」喻俊志說。

以機械狗魚為例，在機械設計方面，該機器魚以北美狗魚為仿生對象，整體外形採用流線細長體結構，頭部採用寬扁形的設計都能有效地減小流體阻力。尾部為典型的多連桿機構，由四個鋁製的骨架串聯而成。這種機構簡單靈活，易於控制，能夠近似模仿魚類遊動形態。尾鰭通過細小的尾柄與多連桿機構連接，其形狀是根據真實狗魚的尾鰭進行設計，更加符合生物特徵，以便獲得較優的水動力。

魚類的胸鰭具有極其複雜的生理結構，既能夠作為被動控制面以靜態形式輔助魚體平衡，也能夠作為主動控制面以振動形式實現機動運動，而仿生機器魚採用過於複雜的胸鰭結構較為困難。

「我們採用對稱且一直保持伸展的兩個自由度胸鰭結構，在機器魚遊動時提供俯仰力矩，實現機器魚上浮/下潛。」喻俊志說，在機械設計過程中盡量使浮心與重心在一條垂線，且重心必須保持在前進方向的軸線上，重心越往前，機器魚遊動時對頭部的影響越小，這樣機器魚遊動起來有更好的穩定性。

除了身型接近真正的北美狗魚，機械魚在遊動上也和北美狗魚很像，不僅可以上下浮動、左右擺動，還能快速轉彎。

喻俊志介紹，魚類的遊動模式多種多樣，簡單講主要有兩種，一種是身體/尾鰭模式，魚類通過將身體彎曲形成向後傳播的魚體波產生向前的動力，並延伸至尾鰭，從而產生推進力；另一種是中央鰭/對鰭模式，通過中央鰭和對鰭的波動或者擺動運動產生推進力。

在運動控制方面，仿生機器魚能實現這兩種有節律遊動模式的關鍵是採用了中樞模式發生器(Central Pattern Generator, CPG)這種運動控制器。CPG是指存在於生物體內中樞神經系統的神經元電路，能夠在沒有任何感知反饋或者高級神經中樞的控制信號的情況下產生協同的節律動作。將這種運動控制器應用到機器魚上，控制機器魚的多連桿機構之間產生一定的相位差進行周期擺動，實現類似魚體波擬合的控制方法。正是因為有這種控制器機器魚遊動起來才非常自然。

「機器魚不光游起來像魚，在做其他動作的時候也要像魚，比如快速轉向。」喻俊志介紹，通過觀察魚類的快速轉向行為，我們發現魚類在快速轉向過程中，身體幾乎被限制在一個「C形管道」中。此時，魚體受到的回衝力最小，能量損耗較少。根據這個現象我們提出了虛擬C形管道的動態軌跡法。該方法應用到機器魚上，解決了機器魚的快速、精準的瞬態控制，以及瞬態與穩態的切換。

經過這些「由外及里」的設計，機器魚才能像真實的魚一樣表現出自然、靈活的遊動性能。

監測、搜索、勘探用處多多

魚類優異的生理構造、遊動機制能夠為新型水下航行器的設計提供靈感。與傳統基於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一，具有高機動、低擾動、推進效率高等優點，更加適合在狹窄、複雜和動態的水下環境中進行監測、搜索、勘探及救援等作業。

「此外利用機器魚進行的機理研究也可以幫助生物學家探索魚類更深層次的問題，幫助生物學家解決魚類遊動的奧秘，」喻俊志說，例如著名的「Gray」悖論。

目前這些仿生機器人早已投入到具體工作中，2011年，仿生機器海豚水質監測系統在北京雁棲湖成功進行了水質檢測實驗。2016年，一款攜帶型的水質監測仿生機器海豚系統更加智能，執行了多次多水質監測任務。例如，在玉樹禪古水庫成功在線採集了水庫PH值、電導率、溫度等重要水質參數，為玉樹市掌握水質信息和採取措施提供了基礎數據，並有效提高了水質監測效率。

在未來，或許會看到越來越多的仿生生物在水中翱翔的身影。

來源：科技日報

編輯：梁 偉

審核：管晶晶

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