仿生机器鱼

未来奇兵仿生机器鱼

仿生技术的军事应用正在快速发展，各国都投入大量资金深入开展从空中的掌上飞机、地面的微型昆虫到水下的仿生机器鱼等方面的一系列理论和技术研究。其中，水下仿生机器鱼的发展更是如火如荼。

仿生机器鱼是模仿鱼类游动的推动机理，通过机械、电子机构或功能材料（形状记忆合金、人造肌肉等）来模拟鱼类的游动推进动作，在水中利用身体、尾鳍或胸鳍的摆动产生推进波，并作用于身体产生向前推力，从而实现运动的水下航行器。

三种模式

根据推进模式访生机器鱼的推进方式可分为三类：身体波动式，(鱼+参)科及(鱼+参)科加新月形尾鳍模式和胸鳍模式。

身体波动式是模仿鳝鱼等鳗鲡目鱼类的游动方式，整个身体都参与大振幅波动运动，推进波的速度大于鱼的游动速度，并与鱼的游动方向相反地在身体上传播产生推进力。此类仿生机器鱼多采用多关节机构，每个关节安装一个小型伺服电机配合作用进行扭转摆动推进。也可采用形状记忆合金做鱼身，采用电激励或其他形式激励，控制合金的温度变化从而产生形变带动身体摆动。其实人们所熟悉的机器蛇在水中若能浮起就变成了机器鱼。此类机器鱼由于身体细长，柔韧性好，所以机动性极好，但一般只能飘浮，无法进行沉浮。

(鱼+参)科及(鱼+参)科加新月形尾鳍模式是大部分鱼类（如海豚、鲨鱼、金枪鱼等）采用的推进模式。由于身体刚度较大，波动主要集中在身体后部分，推进力主要由具有一定刚度的尾鳍提供，其推进速度和推进效率比身体波动式高。(鱼+参)科模式的推进部分是鱼体的后2／3部分，而(鱼+参)科加新月形尾鳍模式身体刚度更大，推进部分为身体后1／3部分，侧向位移主要产生在后颈部和尾鳍，尾鳍产生90％的推进力，身体前2／3部分保持刚性。目前，(鱼+参)科及(鱼+参)科加新月形屋鳍模式的机器鱼研究较多，可以采用具有一定刚度的

材料做前鱼体和尾鳍，鱼尾采用刚性或弹性材料，由电机驱动进行摆动。其结构复杂程度不同，最简单的可以由电机直接驱动一根刚性杆状鱼尾摆动，复杂的可做成类似身体波动式的多关节或弹性鱼尾，由一部或多部电机配合驱动或采用形状记忆合金做鱼尾。(鱼+参)科加新月形尾鳍模式是速度最快、效率最高的模式，用于快速高效水下推进器设计，美军甚至提出仿鱼推进潜艇的概念。目前研究结果表明，此种仿生机器鱼巡航速度为每秒1～3倍体长，最大爆发速度可达每秒27倍体长，而且这种模式的仿生机器鱼可以有较大体积和载荷，可实现沉浮，是主要研究方向。

胸鳍模式主要是模仿黑色鲈鱼、热带鱼等鱼类的推进方式，通过胸鳍的摆动或波动提供推进力，大部分鱼类用这种方式提高机动性能或作为辅助推进运动。胸鳍模式推进力和推进效率最低，所做研究也较少，主要是采用压电陶瓷或离子交换膜，通过改变输入电压频率改变其微位移控制刚性鳍摆动产生推进力。

目前研制的仿生机器鱼大多采用传统的机械结构、电机驱动形式，技术上比较成熟，适用面较广，可满足大部分要求，但其噪声和电磁特性较差。其它新型驱动形式还处于研究状态，尚无法进入实用阶段。

几点优势

仿生机器鱼是仿生UUV（水下无人载器）的一种。现有的UUV多采用螺旋桨、喷流回转式和叶轮式等常规推进方式，并多以电磁马达或液压马达作为原动机。这些常规推进方式缺点明显：能源利用率低、结构尺寸和重量大、对环境扰动大、噪声大、动密封性和可靠性差，起动、加速性能差，运动灵活性能及隐蔽性差等。

仿鱼推进器与常规推进器相比，具有以下几方面优点：

（1）推进效率高。试验表明仿鱼水下推进器比常规螺旋桨推进器推进效率可提高30%以上。

（2）机动性好。仿生鱼可高速启动并拥有更好的加速性能，在小范围内实现不减速转向运动。

（3）噪声低，隐蔽性高。仿生鱼物理特性与鱼类特性几乎相同，其产生的噪声谱与海洋噪声谱十分相近，形体隐蔽，不易被察觉。

（4）结构简单、体积小、重量轻。可实现舵奖合一，简化机构和系统，简化制造工艺，降低成本，有利于实现水下运载器和水下机器人的小型化、微型化。

（5）可采用多种驱动方式。大型仿生鱼运载器可采用电磁马达、液压马达或气压马达驱动，以及混合驱动方式；小型或微型仿生鱼，可采用形状记忆合金、人造肌肉、超声波马达以及压电陶瓷等多种驱动元件。

进展如何

随着仿生学、材料科学、自控理论、图像处理等学科的发展，仿鱼推进方式正在变成现实。目前，仿生机器鱼的研究成果较多的国家是美国和日本。

美国1994年，美国麻省理工学院（MIT）通过对金枪鱼的长期研究，成功研制出世界第一条仿生机器金枪鱼——“Robo Tuna”，证明了仿生机器鱼推进效率比现有UUV推进效率更高。1995年，MIT又诞生了机器鱼“Pike”，证明仿生鱼具有良好的静态转向和加速能力。1996年，新墨西哥大学研制成“人工合成肌肉”波动式水下推进器。2000年MIT在发表的本领域权威性综述指出，仿鱼类推进技术开始进人工程应用研究阶段（美国、英国、日本等）。美国一些机构在海军支持下开展了有使用价值仿生潜水器的研究，如1999年的VCUUV（涡量控制水下无人平台）“Draper”。2001年，佛罗里达中心大学科研人员正在研制驱动系统完全由形状记忆合金制成的微电子机器鱼“MERIF”。

日本1991年至1994年，名古屋大学的福田敏男研制成压电陶瓷驱动的微型水下仿胸鳍模式浮动机器人和形状记忆合金驱动的微型身体波动式水下推进器。1996年日本研制的仿黑色鲈鱼机器鱼，证明胸鳍推进的高机动性。1998年研制成利用ICPF（离子交换聚合薄膜）作为尾鳍驱动元件的机器鱼，通

过改变输入电压频率控制游速。1999年研制了两关节自推进的机器海豚。近年来，东芝、三菱等公司研制出多条十分逼真的宠物仿生机器鱼。

军用前景

水雷战仿生机器鱼可做成自杀鱼，装有战斗部，经线导遥控接近水雷，通过自爆直接破坏水雷。还可以做成重复使用型，搭载多种传感器，通过遥控或预编程自主工作方式，完成探雷和扫雷任务。

侦察与监视主要包括战场监视、目标探测等任务。大型自主式仿生机器鱼执行海洋监视任务时，可根据预先设定的程序，使用被动式传感器，在广阔的海域进行巡逻。自主式仿生机器鱼还能执行屏障性监视任务，它可拖曳一个水听器阵列穿过某一区域，并把探测到的情况自动传送给别的平台（舰艇、潜艇或卫星）。

通信与导航仿生机器鱼效率高、隐蔽性好，可更长期在水中游弋，生存率高，可作为长期使用的远程通信中继装置（即作为无线电传输装置或作为激光通信传输装置）或导航辅助装置。

辅助作战不同结构的仿生机器鱼可用于支援己方潜艇作战。可作为诱饵，实施欺骗；也可作为艇外水声或尾流传感器平台进行区域搜索和侦察，以扩大潜艇的搜索范围。

非战斗行动包括海洋测绘和后勤支援。

随着技术的成熟，仿生机器鱼必将在未来海战战场大显身手，一定会创造不凡的战绩。

相关链接：形状记忆合金——一般金属材料受到外力作用后，首先产生弹性变形，到屈服点时就产生永久变形。但有些金属材料，经过一定温度变化后，又会恢复变形前的形状，这就是记忆效应。这种效应通常在两种以上元素组成的合金中出现。具有此效应的合金就是记忆合金。

人造肌肉——利用人工合成有机纤维组织制成具有肌肉特性的物质，具