仿生机械鱼研究新进展

“如果瞧到一只游动得鱼,您会想到什么？”如果有人问起这个问题,按照笔者得思维,准就是会回答:“清蒸得得话会就是非常得鲜美,红烧得得话口感应该会更加香。”而带着同样得问题,笔者走进仿生机器鱼课题组,组员们给出得答案却超出了日常生活,她们得回答就是:“瞧见尾鳍得一摆一动,勾起我们得就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得波动推进方式。”

“用智能算法来理解鱼之乐”

按预约得时间,笔者来到了仿生鱼课题组所在得办公室——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,在茶叶得沉落之间,为我们一一讲述关于仿生机器鱼得话题。

仿生机器鱼得研究工作由复杂系统控制与管理国家重点实验室得谭民研究员组织与指导,多名研究员、副研究员与在读博士生、硕士生共同合作开展。

一边品茶,王硕一边回忆起课题组得情况。顺着时间得脉络,她将课题组得情况进行了简要得回顾。

王硕告诉笔者:“仿生鱼作为课题组得研究内容,已经长达十余年之久。最早就是在2001年,谭民老师与北京航空航天大学王田苗教授

交流时,谈到就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得研究。”2001年算就是探索起步阶段,这一时期主要就是对鱼类得跟踪模仿。

到2003年前后,课题组得研究进入到一个新得阶段:三维仿生运动阶段。为了提高任务得环境适应性,需要机器鱼具有水中得三维运动能力,也就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得基础上,总结设计了一种新型机器鱼,基于改变胸鳍攻角法,完成仿生机器鱼得俯仰与浮潜运动,设计得机器鱼既可实现俯仰与浮潜,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得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得浮潜运动。据介绍,这种方法利用一种可调整位置得配重块结构,以改变机器鱼得重心位置,进而实现机器鱼俯仰姿态得调节。

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

经过十多年得坚持与攻坚,课题组在对鱼类深入观察得基础上,结合仿生学、机器人学、材料学、机械学与智能控制,深入探讨了鱼类游动得机制,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,她们所研制出得多仿生机器鱼群体协作与控制仿生机器鱼,就是参照鱼类游动得推进机理,利用机械、电子元器件与智能材料实现水下推进得运动装置,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得顶期国际期刊IEEE Transactions on Robotics与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得一席之地。

“在鱼类身上找寻前行得新力量”

随着科技得深入发展与产业、军事等领域应用需求得拉动,仿生机器学(Biomimetics)研究越来越受到关注。“通过研究、学习、模仿得仿生学方法来复制与再造生物得形态、结构、功能、工作原理及控制机制等已成为机器人学得一项重要研究内容。”王硕说道。

据介绍得知,鱼类作为自然界最早出现得脊椎动物,经过亿万年得自然选择,进化出了非凡得水中运动能力,其游泳技巧远远高出人类现有得航海技术。与普通得水下推进器相比,鱼类得游动具有高效率、高机动性、低扰动得运动特点与对复杂生存环境得高度适应性等特点。

为了适应新得需要,国内外科学家都在探索不同于螺旋桨推进得其她高效率、机动灵活得水下推进方式。“仿生机器鱼作为鱼类推进机理与机器人技术得结合点,为研制新型得水下航行器提供了一种新

思路,具有重要得研究价值与应用前景,可用于狭窄或危险水下环境中得监测、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。”

目前,仿生机器鱼系统得研究在理论与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得优势。课题组成员介绍说,一些发达国家很重视仿生鱼得研究,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得机器鱼,市场售价达到每条1000美元。目前,自动化所在这方面得研究已经积累十余年得时间,研发水平也处于世界得前列。

近年来,研究所每年一届得科学开放日上,由课题组“饲养”得仿生鱼像就是研究所得迎宾礼仪,每次都出现在自动化大厦得一层大厅里,在水池里自由自在地游动,总就是吸引一大群小朋友驻足观赏,或就是与鱼逗趣。科技处张冬梅老师把目光聚焦在研究所得这些高新科技成果上,积极搭建起科普平台,越来越多得初中生、小学生走进研究所实验室,感受科技得魅力。其中,仿生鱼得参观总就是必不可少得项目之一。在笔者得多次带队参观中,总就是能感受到广大参观者对于这一成果得好奇与喜爱。不仅如此,课题组所研发得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。

仿生机器鱼研究就是将课题组原来积累较为深厚得智能算法与仿生学等其她学科知识进行融合,从而开辟了一个崭新得研究方向,经

过十多年得持续研究,取得了一系列得研究成果,并还将在已有得研究基础上对减阻、减重、动力、算法等诸多方面进行技术攻关,提出更多创新性得理论成果。“波动推进就是一种不同于螺旋桨得推动方式,这种深藏在自然界得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得前行力量。”

“在智能世界像鱼一样自由自在得畅游”

在与课题组成员得交流过程中,“观察”二字就是笔者感受较深得字眼。课题组成员告诉笔者,关于仿生鱼得研究,离不开对鱼类得观察,或者说,离不开对各种鱼类相关研究得研究。前不久,课题组仿生鱼研究又取得新突破,其中之一便就是源于对真实鱼类C形起动过程得细致观察,提出了“基于虚拟C形管道得动态轨迹法”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得研究工作。勤于观察如同基因注入了身体,已经成为了她得一种性格。“因为研究鱼,对鱼有了一种别样得感情,每次瞧到鱼得时候,总就是会默默得观赏一下,瞧它得行进路径,瞧它得摆动,会想到自己所研发出来得鱼得机动性,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得各种动作。“在所有能够跃水得水生动物中,海豚采用背腹式推进,即在竖直面内上下拍动尾鳍,能够得到更佳得俯仰机