中科院自动化所仿生机器鱼团队:子非鱼焉知鱼之乐

文章来源:中国科学报      发布日期:2018/01/22  

  

牟克雄(左四)和谭民(右三)的机器仿生鱼团队参加国家科学技术奖励大会

    看到一条鱼,大多数人想到的是各种鱼类美食,然而对中科院自动化所仿生机器鱼团队成员来说,他们想到的是怎样改进算法,让机器更加具有生物属性。日前,该团队完成的项目“仿生机器鱼高效与高机动控制的理论与方法”获得了2017年度国家自然科学奖二等奖。

    在中国科学院自动化所有这样一个团队,他们潜心研究鱼的游泳方式,力图做出活灵活现的仿生机器鱼。他们眼里所看到的鱼跟普通人看到的不一样,“我们看见鱼尾鳍的一摆一动,想到的是如何能进一步改进控制算法,在仿生机器鱼身上更完美地实现鱼类的波动推进方式”。

    日前,这支团队完成的项目“仿生机器鱼高效与高机动控制的理论与方法”获得2017年度国家自然科学奖二等奖,团队主要成员有谭民、侯增广、喻俊志、程龙、王硕等研究员。该团队自2000年起开始协同攻关,从事仿生机器鱼控制方面的研究工作,成员先后获得国家自然基金创新群体、杰出青年基金和优秀青年基金的资助。

    1月12日,自动化所组织召开了获奖团队经验座谈会。会上自动化所党委书记、副所长牟克雄代表研究所送上了对团队的祝贺,并点出团队的文化之魂:“做科研要有品位。”他还指出,在团队获得荣誉的背后是近20年的辛苦付出,谭民作为带头人不仅作出了成果,还培养了人才。

    智能算法跟踪模仿

    早在2001年,谭民与北京航空航天大学教授王田苗进行交流时谈到,是否可以将自动化所的智能控制算法应用于工业设计中。一番交流后受到启发,谭民带领团队开始了仿生机器鱼的研究。他告诉《中国科学报》记者:“2001年算是仿生机器鱼研究的探索起步阶段,这一时期主要是对鱼类的跟踪模仿。”

    到2003年前后,仿生机器鱼团队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。

    为此,仿生机器鱼团队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,“我们设计的机器鱼可同时实现俯仰和浮潜,响应迅速,动态特性好。”谭民说。

    2004年,仿生机器鱼团队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。谭民介绍,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年后,仿生机器鱼团队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。

    经过十多年的攻坚,仿生机器鱼团队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,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。

    目前,团队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,在国际仿生机器鱼领域占有重要的一席之地。

    从鱼身上寻找灵感

    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,其游泳技巧远高出人类现有的航海技术。谭民指出:“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。王硕介绍说,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,其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、军事侦察、水下救捞、水下考古、海洋生物观察、水下设备检修等工作。

    如今,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工作,仿生机器鱼团队的研究表明波动推进方式具有很多独特的优势。谭民说:“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,潜心研究,将为水下航行提供一种新的前行力量。”

    这些年来,一些发达国家很重视仿生机器鱼的研究,其中日本三菱重工研发出的用于观赏的机器鱼,市场售价达到每条1000美元。

    自动化所一直在国内信息与自动化领域默默耕耘,前期已有了较好的技术积累。仿生机器鱼团队在此基础上,将智能算法与仿生学等其他学科知识进行融合,从鱼身上寻找灵感,开辟了仿生机器鱼研究方向,并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。

    潜心研究鱼跃动作

    通过与仿生机器鱼团队的交流,记者发现团队成员较为善于“观察”。举个例子,团队源于对真实鱼类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。

    关于这个轨迹法,谭民向《中国科学报》记者作了一个形象解释,鱼类在转弯过程中,头部通过某一点之后,身体的其他部位也会通过相应点,只是还需要进一步确认。

    仿生机器鱼团队成员周超于2003年进入到研究所攻读博士学位,谭民是他的导师,毕业后他又留在了仿生机器鱼团队继续进行仿生鱼的研究工作。他也提出了一些困难:“电池续航和水下讯通是仿生机器鱼的主要技术难点,为此我们求助了相关领域的专家,虽然有些问题仍未解决,但由于这是新领域,已经作好长期攻关的准备。”

    这些年来,仿生机器鱼团队接待了数不清的来访者,也面临着各种各样的考验。曾有人提出:“你们做仿生机器鱼是自娱自乐吗?”面对这样的质疑,团队用行动给出了回应。

    2016年,受青海省玉树市政府和水利局邀请,团队成员喻俊志等人,携带自主研发的两条仿生机器海豚在玉树禅古水库开展野外水质监测验证试验。

    喻俊志说:“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,具有比其他鱼类更小的跃水门限速度。”

    喻俊志一直潜心于观察海豚的各种动作,着手研制可以跃出水面的机器海豚,并在国际上首次实现了机器海豚的跃水:机器海豚身体完全跃出水面,并完整复现“出水——空中滑行——再入水”这一生物跃动过程。

    团队在相关的应用领域也进行了前瞻布局。谭民欣喜地透露,通过实地完成机器海豚布放、性能测试和回收试验,最终验证了研究结果,预示着距离应用又近了一步。

    文章链接:http://paper.sciencenet.cn/htmlnews/2018/1/400705.shtm

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