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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(jī)器魚實(shí)驗(yàn)室寬大的水池中，一條黑色的“大魚”烏木般靜靜浮在水面。“大魚”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(diǎn)實(shí)驗(yàn)研究員王碩團(tuán)隊(duì)在測試最新研制的仿生機(jī)器魚——仿豹魴鮄機(jī)器魚（RobDact）。RobDact擁有一對波動長鰭與一個(gè)大功率雙關(guān)節(jié)尾鰭，可實(shí)現(xiàn)原地旋轉(zhuǎn)、浮潛以及狹窄的空間內(nèi)自由運(yùn)動。它同時(shí)具有一定載荷能力，以及良好的環(huán)境友好性、機(jī)動性和運(yùn)動穩(wěn)定性。
“綜合冠軍”面世
“它（RobDact）可以說是個(gè)‘綜合冠軍’。”王碩告訴《中國科學(xué)報(bào)》，“我們以前也做過幾款仿生機(jī)器魚，如仿鰩魚、仿海豚等，相對于尾鰭推進(jìn)的機(jī)器魚，仿豹魴鮄機(jī)器魚在推進(jìn)速度和快速機(jī)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(jìn)性能和低速姿態(tài)穩(wěn)定控制的能力。”
該團(tuán)隊(duì)成員、中科院自動化所復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jī)器魚在水下必須一直保持運(yùn)動狀態(tài)，如果要觀察某個(gè)特定點(diǎn)，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。”王睿對《中國科學(xué)報(bào)》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(diǎn)懸停。”
“和我們平時(shí)拍照一樣，相機(jī)拿得穩(wěn)，拍出來的照片才清晰。”王碩說，“在進(jìn)行水下研究時(shí)，如果攜帶相機(jī)的機(jī)器魚能夠定點(diǎn)懸停，就相當(dāng)于我們拿相機(jī)的手不抖了，它拍出的照片就會更清晰。”
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(jìn)化出了非凡的水中運(yùn)動能力。仿生機(jī)器魚將魚類的推進(jìn)運(yùn)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(yùn)動的觀察和仿生機(jī)器魚游動試驗(yàn)，中科院自動化所復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(yùn)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(yùn)動模型，在充分考慮線密度影響的基礎(chǔ)上，提出了仿生機(jī)器魚的穩(wěn)定游動推進(jìn)控制方法，為仿魚機(jī)器人的設(shè)計(jì)和控制奠定了理論基礎(chǔ)。
20多年來，王碩團(tuán)隊(duì)研制出了一系列應(yīng)用于不同場景的機(jī)器魚。他們研制的仿生鰩魚借鑒了鰩魚的推進(jìn)結(jié)構(gòu)，并掛載了一個(gè)輕量的機(jī)械臂，可以抓取物體。
2018年，仿生鰩魚參加獐子島水下機(jī)器人大賽，下海抓取海參、海膽、扇貝等，經(jīng)過一番角逐，團(tuán)隊(duì)取得了目標(biāo)識別在線組第一名、定點(diǎn)抓取組三等獎(jiǎng)的成績。
2019年，該團(tuán)隊(duì)研制的仿生鯉魚能依靠身體各個(gè)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(shí)時(shí)上傳。
“傳統(tǒng)的機(jī)器魚也能實(shí)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(jìn)）來實(shí)現(xiàn)懸停。前者需要很大的水箱進(jìn)行抽水排水，后者必須在運(yùn)動當(dāng)中，通過實(shí)時(shí)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(yùn)動，因此面臨位姿、速度等實(shí)時(shí)控制問題。”王碩說，“此外，靠螺旋槳推進(jìn)或下潛的機(jī)器魚在運(yùn)動時(shí)，螺旋槳會傷害魚類或其他水底生物。仿生機(jī)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(jìn)行研究。”
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(yùn)動。受豹魴鮄運(yùn)動方式的啟發(fā)，研究人員為RobDact設(shè)計(jì)了兩個(gè)胸鰭，從而實(shí)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(jìn)性能，研究人員還給它設(shè)計(jì)了尾鰭，通過尾鰭擺動，保證它在向前游動時(shí)，有比較理想的速度。因此，RobDact可以在狹窄或危險(xiǎn)水下環(huán)境中作業(yè),具有重要的研究價(jià)值和應(yīng)用前景。
更好的性能
“這款機(jī)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(gè)目標(biāo)，讓它在水下獨(dú)立完成后浮出水面。”王碩說，“目前仿生魚在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(diǎn)整合到一種機(jī)器魚身上。”
目前，RobDact的設(shè)計(jì)負(fù)載是兩公斤，根據(jù)載荷的不同，可以實(shí)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(jī)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(cuò)的速度。然而，盡管RobDact的機(jī)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(jìn)的阻力。
“機(jī)器魚設(shè)計(jì)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(shí)保持整體平衡。另外，還要考慮它工作的時(shí)長、傳感器如何來配置，以及如何更好地水下通信等問題。”王碩說，“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(shí)就伸出來，需要游動起來的時(shí)候把它收起來，從而更好地提高綜合性能。”
來源：中國科學(xué)報(bào)
