機器魚：浩渺水域任我游

馬文凱　梁建宏

2004年8月，一條難辨真?zhèn)?、通體黝黑的機器魚吸引了媒體和公眾的目光。在由中國國家博物館水下考古研究中心主持的鄭成功船隊沉船遺址探測中，由北京航空航天大學(xué)機器人研究所和中國科學(xué)院自動化研究所共同研發(fā)的SPC-Ⅱ型機器魚巡游于福建東山的海波之下，幫助科研人員對約4000平方米的水域進(jìn)行了攝像考察。這是仿生學(xué)、機器人學(xué)、考古學(xué)、海洋學(xué)等多學(xué)科交叉融合的結(jié)晶，同時也是我國仿生機器人的首次應(yīng)用嘗試。

是魚，更是機器人

任何一條魚或海豚都不掌握簡單的數(shù)學(xué)推理，更不用說解讀復(fù)雜的流體力學(xué)公式，但是它們比任何現(xiàn)代艦船更能駕馭大海和江河。這就是自然界進(jìn)化的力量，來自于自然界千萬年感性的沉積。

海豚可輕易地以20節(jié)的速度跟在船只之后；黃鰭鮪魚的速度可達(dá)40節(jié)以上；梭子魚更可以用20倍于重力加速度的加速度起步來掠取獵物。同時，魚類可迅速地以只有身長10%～30%的距離為轉(zhuǎn)彎半徑來變換行進(jìn)方向。相對之下，一般航行船只通常須以10倍船長的半徑緩慢地回轉(zhuǎn)。

因此，科研人員們積極地向大自然學(xué)習(xí)，研究魚類的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，并試圖在技術(shù)方面模仿魚類在自然中的功能。根據(jù)魚類的運動特征，把它們的游動模式分為四大類：鰻鱺目身體波動模式、

科加新月形尾鰭模式、胸鰭擺動模式和波動式模式。通過對魚類不同運動模式的模仿，研制出了各式各樣的機器魚。

利用魚類的游動推進(jìn)機理，通過機械、電子結(jié)構(gòu)或功能材料（形狀記憶合金、人造肌肉等）來模擬魚類的游動推進(jìn)動作，從而實現(xiàn)水下運動的推進(jìn)裝置就是仿魚水下推進(jìn)器，即機器魚，又稱魚形機器人。

前面提到的SPC-Ⅱ型機器魚體長1.23米，總重40公斤，最大下潛深度為5米，體表是玻璃鋼和纖維板的復(fù)合材料，強度大、重量輕。它由動力推進(jìn)系統(tǒng)、圖像采集和圖像信號無線傳輸系統(tǒng)、計算機指揮控制平臺三部分組成。只要將指令通過無線電信號傳給機器魚中的計算機，計算機就可以按指令控制機器魚做出動作。SPC-Ⅱ型機器魚還裝有衛(wèi)星定位系統(tǒng)，如果啟動系統(tǒng)，它就可以自行按設(shè)定航線行進(jìn)。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，SPC-Ⅱ型機器魚采用整體流線型設(shè)計，降低了阻力；采用翼身融合的剛體結(jié)構(gòu)，大大增加了有效載荷空間。它的平均航速可達(dá)到每小時4公里左右，最大速度能達(dá)到每秒1.5米。它使用鎳氫電池，能在水下連續(xù)工作兩三個小時，以平均航速計算，能夠持續(xù)游約10公里。

SPC-Ⅱ型機器魚的推進(jìn)方式為科加新月形尾鰭模式推進(jìn)。在這種模式中，超過90%的推進(jìn)力通過具有一定剛度的尾鰭的運動產(chǎn)生，而身體的前三分之二部分都保持剛性。船舶、普通潛艇采用傳統(tǒng)的螺旋槳來推進(jìn)，與之相比，機器魚依靠尾部軀體和尾鰭的有規(guī)律擺動來前進(jìn)，推進(jìn)時非常安靜，噪音水平比螺旋槳低得多；靈活性亦非螺旋槳所能比擬，它依靠身體和尾鰭，可以迅速原地回轉(zhuǎn)。機器魚的上浮和下潛通過在行進(jìn)中改變胸鰭的迎角實現(xiàn)，響應(yīng)的速度較快。

水下考古顯身手

我國300萬平方公里的水域下，埋藏著十分豐富的文物資源?，F(xiàn)階段，我國的水下考古在國際上已占有一席之地，但與國際先進(jìn)水平相比尚存一定差距。

當(dāng)前的水下考古一般是由考古人員親自進(jìn)行潛水作業(yè)。但是由于受到人體生理條件的限制，常規(guī)潛水深度只能達(dá)到60米～70米，而且人在水下處于失重狀態(tài)，活動不便、體力消耗大、作業(yè)時間短，出水又需長時間減壓，所以工作效率很低。早期的水下考古作業(yè)也因此變得困難重重，深水考古更是望洋興嘆。隨著我國水下考古事業(yè)的興起，對裝備的要求不斷升級，水下機器人也逐漸參與到考古中來。

在2004年8月11日至12日，SPC-Ⅱ型仿生機器魚對鄭成功古戰(zhàn)艦遺址進(jìn)行的水下考古探測的工作時間累計達(dá)到約6小時。這是我國考古工作者首次利用機器人輔助水下考古工作。

在探測中，SPC-II型機器魚時而在海面上穿浪前進(jìn)，時而快速潛入深水中，及時將它在水下看到的景象通過無線圖像信號系統(tǒng)傳送至水面指揮部。

在岸上，通過一個控制臺，技術(shù)人員把諸如前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、上浮、下潛的指令傳到機器魚體內(nèi)的計算機中，計算機按指令控制機器魚做出相應(yīng)的動作。在技術(shù)人員的操縱下，機器魚利用原地回轉(zhuǎn)靈活的特性，多次快速接近重點目標(biāo)，對目標(biāo)進(jìn)行拍攝錄像，為下一步的考察挖掘工作提供了有用的信息?？脊抨牭呢?fù)責(zé)人認(rèn)為，SPC-II型機器魚在水下機動靈活，定位迅速，對考察探測能起到輔助作用。如果進(jìn)一步改進(jìn)機器魚，在下潛深度和垂直機動性方面達(dá)到實用，可以代替潛水員在更深的水域長時間地進(jìn)行觀測，從而提高工作效率，降低潛水員的風(fēng)險。

仿生機器魚家族

人類有關(guān)魚類游動機理的現(xiàn)代研究始于20世紀(jì)30年代，而這方面的研究取得迅速進(jìn)展是在過去的十五年，有關(guān)仿魚推進(jìn)機理的大量研究則開始于90年代中后期。

在國外，美國麻省理工學(xué)院海洋工程實驗室、伍茲霍爾海洋研究所和紐約大學(xué)聯(lián)合組成研究小組正在開展有關(guān)魚類仿生推進(jìn)機理的研究。從1994年至1999年，以Triantafyllou M.S.為首的研究小組先后設(shè)計研究了1.2米長的機器金槍魚和0.8米長的機器狗魚；日本東京大學(xué)開展了仿生先進(jìn)推進(jìn)機理的研究；美國賓夕法尼亞大學(xué)的Lamrence C.R.正在進(jìn)行關(guān)于魚體肌肉消耗動力的研究；美國密執(zhí)安大學(xué)的Paul W.W.開展了對魚體游動穩(wěn)定性的研究；加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的Richard W.B.開展了狗魚類快速啟動性能的測定試驗研究；日本N.Kato研究小組研究了鱸魚胸鰭的運動機理；日本三菱公司也組織開展了魚類仿生機器人技術(shù)開發(fā)，實現(xiàn)了使長60厘米、重6磅的機器魚的速度達(dá)到每秒0.25米。

在國內(nèi)，哈爾濱工程大學(xué)和北京航空航天大學(xué)機器人研究所在這方面的研究走在了前面。

哈爾濱工程大學(xué)曾開展仿生機器章魚研究，其主要目的是用于輔助打撈沉船。他們還在水下無人探測器仿生推進(jìn)與操縱技術(shù)方面進(jìn)行研究，研制了仿生金槍魚，即微小型水下無人探測器原理樣機——“仿生-Ⅰ”，該樣機長2.4米，最大直徑0.62米，排水量320公斤，潛深10米，負(fù)載能力70公斤。該樣機具有可擺動的尾鰭和一對攻角可調(diào)的胸鰭，體內(nèi)安裝兩臺伺服電機，分別驅(qū)動尾鰭和胸鰭，可完成直航、回轉(zhuǎn)和改變下潛深度等動作，最高航速已達(dá)每秒1.3米。2003年11月在海上進(jìn)行了“仿生-Ⅰ”的航行試驗。

SPC-Ⅱ型機器魚的性能雖然在實踐中得到了肯定，但也暴露了很多不足。為了更好地為水下考古服務(wù)，并為將來更復(fù)雜的工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，正在研制中的新一代機器魚將增加水下定位系統(tǒng)，改善垂直面內(nèi)的機動性，配置高性能的任務(wù)設(shè)備， 提高下潛深度， 優(yōu)化局部自主能力等等。經(jīng)過進(jìn)一步完善后，機器魚還可用于探查狹窄水道、測繪海底地形地貌，進(jìn)行水中養(yǎng)殖和捕撈，并作為水下微小型運載工具，在搶險搜救等工作中發(fā)揮重要作用。如果仿生機器魚的技術(shù)完全成熟，未來的潛水艇就可以擺脫螺旋槳推進(jìn)的方式，以更接近于魚類的方式在水下運動。

【責(zé)任編輯】唐宇