【走访•课题组】之四——仿生机器鱼

2012-09-13

  “如果看到一只游动的鱼,你会想到什么?”如果有人问起这个问题,按照笔者的思维,准是会回答:“清蒸的的话会是非常的鲜美,红烧的的话口感应该会更加香。”而带着同样的问题,笔者走进仿生机器鱼课题组,组员们给出的答案却超出了日常生活,他们的回答是:“看见尾鳍的一摆一动,勾起我们的是如何能进一步改进控制算法,在仿生鱼身上更完美地实现鱼类的波动推进方式。”

  “用智能算法来理解鱼之乐”

  按预约的时间,笔者来到了仿生鱼课题组所在的办公室——自动化大厦9层906室。课题组成员王硕研究员热情地将我们请到了十三层咖啡厅,点上一壶茶水,在茶叶的沉落之间,为我们一一讲述关于仿生机器鱼的话题。

  仿生机器鱼的研究工作由复杂系统控制与管理国家重点实验室的谭民研究员组织和指导,多名研究员、副研究员和在读博士生、硕士生共同合作开展。

  一边品茶,王硕一边回忆起课题组的情况。顺着时间的脉络,他将课题组的情况进行了简要的回顾。

  王硕告诉笔者:“仿生鱼作为课题组的研究内容,已经长达十余年之久。最早是在2001年,谭民老师和北京航空航天大学王田苗教授交流时,谈到是否可以将研究所智能控制算法应用于工业设计中。受其启发,课题组开始了仿生鱼的研究。”2001年算是探索起步阶段,这一时期主要是对鱼类的跟踪模仿。

  到2003年前后,课题组的研究进入到一个新的阶段:三维仿生运动阶段。为了提高任务的环境适应性,需要机器鱼具有水中的三维运动能力,也就是需要机器鱼除了推进外还要能够上浮下潜,甚至维持某一深度。课题组在已有多关节仿生机器鱼的基础上,总结设计了一种新型机器鱼,基于改变胸鳍攻角法,完成仿生机器鱼的俯仰和浮潜运动,设计的机器鱼既可实现俯仰和浮潜,响应迅速,动态特性好。

  到2004年,课题组提出一种基于重心改变法的仿生机器鱼俯仰姿态与深度控制方法,用于实现机器鱼水中的浮潜运动。据介绍,这种方法利用一种可调整位置的配重块结构,以改变机器鱼的重心位置,进而实现机器鱼俯仰姿态的调节。

  2005年之后,课题组开始了仿生机器鱼转身、快速起动、运动中变速和转向、倒游、定深、制动等高机动控制研究。

  经过十多年的坚持和攻坚,课题组在对鱼类深入观察的基础上,结合仿生学、机器人学、材料学、机械学和智能控制,深入探讨了鱼类游动的机制,形成了身体/尾鳍推进、胸鳍推进、子母式、长鳍、两栖、海豚式推进等多个系列,聚焦高机动、高游速两大指标,目前已实现利用多模式控制技术将多种性能集成到高性能机器鱼平台。课题组成员介绍说,他们所研制出的多仿生机器鱼群体协作与控制仿生机器鱼,是参照鱼类游动的推进机理,利用机械、电子元器件和智能材料实现水下推进的运动装置,具有低噪声、高效率、高机动性、高隐蔽性等特点。

  目前,课题组已在机器人学的顶级国际期刊IEEE Transactions on Robotics和IEEE Robotics and Automation Magazine上发表多篇文章,在国际仿生机器鱼领域占有重要的一席之地。

  “在鱼类身上找寻前行的新力量”

  随着科技的深入发展和产业等领域应用需求的拉动,仿生机器学(Biomimetics)研究越来越受到关注。“通过研究、学习、模仿的仿生学方法来复制和再造生物的形态、结构、功能、工作原理及控制机制等已成为机器人学的一项重要研究内容。”王硕说道。

  据介绍得知,鱼类作为自然界最早出现的脊椎动物,经过亿万年的自然选择,进化出了非凡的水中运动能力,其游泳技巧远远高出人类现有的航海技术。和普通的水下推进器相比,鱼类的游动具有高效率、高机动性、低扰动的运动特点和对复杂生存环境的高度适应性等特点。

  为了适应新的需要,国内外科学家都在探索不同于螺旋桨推进的其他高效率、机动灵活的水下推进方式。“仿生机器鱼作为鱼类推进机理和机器人技术的结合点,为研制新型的水下航行器提供了一种新思路,具有重要的研究价值和应用前景,可用于狭窄或危险水下环境中的监测、水下救捞、水下考古、海洋生物观察、水下设备检修等工作。”

  目前,仿生机器鱼系统的研究在理论和应用等方面已开展了很多研究工作,研究已经表明波动推进方式具有很多独特的优势。课题组成员介绍说,一些发达国家很重视仿生鱼的研究,其中美、日均取得一些成果,日本三菱重工就研发出用于观赏的机器鱼,市场售价达到每条1000美元。目前,自动化所在这方面的研究已经积累十余年的时间,研发水平也处于世界的前列。

  近年来,研究所每年一届的科学开放日上,由课题组“饲养”的仿生鱼像是研究所的迎宾礼仪,每次都出现在自动化大厦的一层大厅里,在水池里自由自在地游动,总是吸引一大群小朋友驻足观赏,或是与鱼逗趣。科技处张冬梅老师把目光聚焦在研究所的这些高新科技成果上,积极搭建起科普平台,越来越多的初中生、小学生走进研究所实验室,感受科技的魅力。其中,仿生鱼的参观总是必不可少的项目之一。在笔者的多次带队参观中,总是能感受到广大参观者对于这一成果的好奇和喜爱。不仅如此,课题组所研发的各类仿生机器鱼也已经进入山东省科技馆、吉林省科技馆、张家港科技馆等科普展馆,备受人们青睐。

  仿生机器鱼研究是将课题组原来积累较为深厚的智能算法与仿生学等其他学科知识进行融合,从而开辟了一个崭新的研究方向,经过十多年的持续研究,取得了一系列的研究成果,并还将在已有的研究基础上对减阻、减重、动力、算法等诸多方面进行技术攻关,提出更多创新性的理论成果。“波动推进是一种不同于螺旋桨的推动方式,这种深藏在自然界的力量值得我们投注心力,需要人们潜心去研究,将为水下航行提供一种新的前行力量。”

  “在智能世界像鱼一样自由自在的畅游”

  在和课题组成员的交流过程中,“观察”二字是笔者感受较深的字眼。课题组成员告诉笔者,关于仿生鱼的研究,离不开对鱼类的观察,或者说,离不开对各种鱼类相关研究的研究。前不久,课题组仿生鱼研究又取得新突破,其中之一便是源于对真实鱼类C形起动过程的细致观察,提出了“基于虚拟C形管道的动态轨迹法”来实现仿鱼高机动运动。

  课题组成员周超于2003年进入到研究所攻读博士学位,毕业后留在了课题组继续进行仿生鱼的研究工作。勤于观察如同基因注入了身体,已经成为了他的一种性格。“因为研究鱼,对鱼有了一种别样的感情,每次看到鱼的时候,总是会默默的观赏一下,看它的行进路径,看它的摆动,会想到自己所研发出来的鱼的机动性,灵活性。”

  课题组喻俊志老师06年开始进行海豚相关研究。多年来,一直潜心于观察海豚的各种动作。“在所有能够跃水的水生动物中,海豚采用背腹式推进,即在竖直面内上下拍动尾鳍,能够得到更佳的俯仰机动能力,更适于在水面附近做上下翻飞的动作,具有比其它鱼类更小的跃水门限速度。”根据这一观察结果,喻老师和其他几个老师一起开始着手研制可以跃出水面的机器海豚。这一目标经过多年的努力,于今年夏天取得了阶段性进展,课题组基于攻角的机器海豚快速游动控制算法,实现了1.5倍体长的最高直线游速,并在国际上首次实现了机器海豚的跃水:机器人身体完全跃出水面,并完整复现“出水——空中滑行——再入水”这一生物跃水过程。

  在和喻老师交谈的过程中,他还告诉笔者:“现在对于海豚已经有了一种特殊的感情,周末有时间的话,就会带着孩子一起到海洋馆看海豚表演,观赏海豚在跃出水面的美丽瞬间。”

  尽管课题组已经取得了不少的成果,但在和课题组成员的交流中,他们无不说到“这些都还只是基础阶段的研究”。喻老师坦言:“要想实现像鱼类一样自由自在的游动,还有很多的困难要面对,毕竟从理论到应用还要面对更为复杂的环境考验,每一次成功都是建立在无数次尝试和失败的基础上。而每一次把失败克服之后,就又会面对新的问题,在这样一个过程中,自己总是舍不得停下来,不知不觉便坚持了十余年。”

  此次走进实验室访谈结束时,也顺便聊了些花絮内容,方知课题组的喻俊志等几位年轻老师们,都已为人父母,在繁忙的研究任务下,对家庭投入的时间便少了,对于“二者不可得兼”的状况,喻老师打趣的说:“少了和孩子逗趣的快乐,但我们体会着鱼的快乐。”

  访谈临近结束,笔者禁不住想到庄子与惠施的一段经典问答:“子非鱼,焉知鱼之乐?”课题组成员潜心于仿生鱼的研制,用大量的心血和精力投注在各类鱼上。或许,在他们的心里,如期实现仿生鱼的各种动作的过程就如同鱼儿在畅游,他们也自由自在地徜徉在智能算法的世界里吧!

  

试验中的仿生鱼——优雅转身

  

试验中的仿生鱼——群鱼戏水

  

北京三十五中学生来所参观仿生鱼

  

如果没有一旁的电器,你可曾会想到这是一只研制的仿生鱼?

  

科学开放日上,中央电视台记者拍摄报道仿生鱼

(综合处 刘勇进)

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