仿生機(jī)器魚走向?qū)嶋H應(yīng)用
原標(biāo)題：仿生機(jī)器魚走向?qū)嶋H應(yīng)用
不久前，世界首條仿生鯨鯊在上海海昌海洋公園亮相。這條身長4.7米的龐然大物在水中靈活自如、以假亂真，不僅可以進(jìn)行精彩的水下表演，還能搭載傳感器進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測和攝影攝像等。仿生機(jī)器魚從理論研究逐步走向?qū)嶋H應(yīng)用，帶給人們更多期待。
“見窾木浮而知為舟，見飛蓬轉(zhuǎn)而知為車”。觀察并模仿自然行為，是人類創(chuàng)新的重要源泉。隨著仿生機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，像魚兒一樣在水中遨游探索的仿生機(jī)器魚應(yīng)運(yùn)而生。1994年，美國以金槍魚為原型研制出世界上第一條仿生機(jī)器魚。中國首條仿生機(jī)器魚則以中華鯉魚為原型。
仿生機(jī)器魚屬于跨學(xué)科交叉領(lǐng)域。其外形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要用到仿生學(xué)原理，模仿魚類運(yùn)動(dòng)主要采用運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，而在賦予其魚類感知能力如聽覺、觸覺和視覺時(shí)，會(huì)加入仿生側(cè)線、魚眼相機(jī)等傳感器，甚至采用人工智能方法讓它們更“聰明”。此外，材料制備、智能規(guī)劃與決策等技術(shù)手段也不可或缺。
相較于傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)水下機(jī)器人，仿生機(jī)器魚在環(huán)保、效率、機(jī)動(dòng)性等方面優(yōu)點(diǎn)顯著。它結(jié)構(gòu)密封，鋰電池和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)往往安裝在內(nèi)部，對(duì)水體沒有污染且不易纏繞水草，能更好融入自然環(huán)境，對(duì)真實(shí)魚類不會(huì)造成傷害；它模仿魚類的擺動(dòng)，具有更理想的流體力學(xué)性能，能量效率大大提高；它還能模仿魚類C形轉(zhuǎn)向、前后滾翻等復(fù)雜動(dòng)作，展現(xiàn)出更強(qiáng)大的機(jī)動(dòng)性能。
海洋生物種類多樣、各有天賦，比如海豚以躍水聞名，金槍魚可以高速巡游，䲟魚在遠(yuǎn)程航行中大多吸附在大型魚類身上以節(jié)省能量……受不同生物特性啟發(fā)，仿生機(jī)器魚也是各式各樣。近年來，我國仿生機(jī)器魚團(tuán)隊(duì)研制了豐富多彩的機(jī)器魚系統(tǒng)，包括機(jī)器金槍魚的高速航行、機(jī)器䲟魚的自主動(dòng)態(tài)吸附以及在國際上首次實(shí)現(xiàn)機(jī)器海豚的躍水等多項(xiàng)成果。
這些仿生機(jī)器魚可不是“花拳繡腿”，而是具有重要的理論意義和廣泛的實(shí)用價(jià)值。在生物研究領(lǐng)域，它可以輔助研究魚類游動(dòng)機(jī)理，探索魚群效應(yīng)等魚游生物學(xué)現(xiàn)象；在工程領(lǐng)域，它可以在狹窄或危險(xiǎn)的水下環(huán)境中開展水質(zhì)監(jiān)測、救撈、考古、設(shè)備檢修、海洋地圖測繪、海洋生物拍攝、可燃冰探測等工作。它還可以在海洋館中代替珍稀野生魚類以供科普。一些企業(yè)也從中獲得啟發(fā)，比如豐田汽車?yán)孟澉儤?gòu)造生產(chǎn)車型。
總體來看，仿生機(jī)器魚在仿生基本原理和系統(tǒng)集成等方面發(fā)展很快，各類成果紛紛亮相。不過，受限于制作材料和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，目前仿生機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)性能與真魚相比仍有一定差距，包括長時(shí)巡游速度、瞬間爆發(fā)力等，其感知技術(shù)水平也相對(duì)有限。此外，海洋環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，對(duì)于穩(wěn)定性、可靠性和智能性有著極高要求，目前大多仿生機(jī)器魚尚不具備在惡劣海洋環(huán)境下開展作業(yè)的能力。
未來，隨著材料學(xué)、控制學(xué)以及人工智能的發(fā)展，期待仿生機(jī)器魚作為一種新型海洋裝備在高仿生特性、高運(yùn)動(dòng)特性、強(qiáng)智能特性等方面進(jìn)一步提高技術(shù)水平，為人類認(rèn)識(shí)、探索和利用海洋發(fā)揮更大作用。
（作者：喻俊志 為北京大學(xué)工學(xué)院教授）
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