淺談仿生水下機器人的發(fā)展現(xiàn)狀

劉珍娜,秦婧文

（山東勞動職業(yè)技術(shù)學(xué)院,濟南 250022）

淺談仿生水下機器人的發(fā)展現(xiàn)狀

劉珍娜,秦婧文

（山東勞動職業(yè)技術(shù)學(xué)院,濟南 250022）

仿生水下機器人以水生生物為仿生對象，模仿其外部形態(tài)和運動步態(tài)而新興的水下機器人，本文淺析了近幾年仿生水下機器人在不同領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀以后未來的研究熱點，為其愛好者提供了解契機。

仿生；水下機器人；發(fā)展現(xiàn)狀

1 研究背景及意義

海洋孕育了人類文明同時蘊藏著豐富的自然資源，如海洋生物、海底礦產(chǎn)等。同時，海洋也是重要的交通運輸通道和軍事戰(zhàn)略空間。未來的世紀是海洋的世紀，黨中央、國務(wù)院提出了“逐步把我國建設(shè)成為海洋經(jīng)濟強國”的宏偉目標，“提高海洋資源開發(fā)能力，發(fā)展海洋經(jīng)濟”亟需強大的水下科技支撐。水下機器人作為探索和開發(fā)海洋的主要載體成為人類從事海洋活動不可或缺的工具。

目前的水下機器人主要分為有纜水下機器人（Remote Operated Vehicle，簡稱ROV）和無纜水下機器人，也稱自主式水下機器人（Autonomous Underwater Vehicle，簡稱AUV）。由于常規(guī)水下機器人以螺旋槳和葉輪為推進器，采用常規(guī)能源作為動力，存在機動性差、響應(yīng)滯后對水生環(huán)境擾動大等缺點，極大限制了其在狹窄、動態(tài)、復(fù)雜、脆弱環(huán)境中的應(yīng)用。

經(jīng)過上億年的進化，魚類、鯨豚類等水生生物已經(jīng)演變具有高超的水中運動能力，其游動效率、機動性、穩(wěn)定性等能遠超現(xiàn)有的航行器，如鲹科魚類的推進效率超過90%，海豚可以實現(xiàn)450°/s的高速轉(zhuǎn)向且其轉(zhuǎn)彎半徑僅為體長的11-17%，鰩科魚類通過改變鰭面波從而完成在復(fù)雜水環(huán)境下的高超雜技動作。水生生物特殊的生理構(gòu)造和推進機理為新一代高性能水下航行器的研制提供靈感。。

2 研究現(xiàn)狀

仿生水下機器人是指利用機械設(shè)計技術(shù)、微電子技術(shù)、材料科學(xué)以及人工智能技術(shù)等仿照水下生物的外部形態(tài)及游動步態(tài)而實現(xiàn)水下推進的一種運動裝置。美國 MIT 于1994年成功研制出世界上第一條真正意義的仿生金槍魚，此后的20多年間，越來越多的科研機構(gòu)對仿生水下機器人進行關(guān)注和研究。本文主要關(guān)注仿生水下機器人的應(yīng)用現(xiàn)狀。

2.1 水質(zhì)檢測

受魚群協(xié)調(diào)配合的啟發(fā)，歐洲多家科研機構(gòu)于2012年開展了SHOAL項目，以金槍魚為仿生對象，研制了多條體長為1.5m的仿生機器魚，利用機器魚群的協(xié)調(diào)配合增大水質(zhì)監(jiān)測的范圍，并且在西班牙的港口進行了試驗。

美國馬里蘭大學(xué)帕克分校和密歇根州立大學(xué)于2014年聯(lián)合開發(fā)了一款水下滑翔機器魚“Grace”，該機器魚在傳統(tǒng)仿生機器魚的基礎(chǔ)上增加了滑翔功能，機體內(nèi)置有泵和儲水腔來改變整體凈浮力并通過尾鰭調(diào)節(jié)偏航角或產(chǎn)生螺旋運動，從而更加節(jié)省能量增加其作業(yè)范圍，并在密歇根州鹿蹄草湖進行了水質(zhì)樣本的采集應(yīng)用實驗。

2.2 軍事偵察

美國海軍與波士頓動力于2014年合作研發(fā)了一款以金槍魚為仿生對象的仿生水下機器人“Silent Nemo”，該機器人體長1.5 m，重約

45 kg，依靠身體尾關(guān)節(jié)和尾鰭的擺動產(chǎn)生前進動力和實現(xiàn)機動轉(zhuǎn)向，配置聲吶等多種傳感設(shè)備可自主對敵方目標進行監(jiān)視與偵察。

2.3 教育娛樂

韓國全南大學(xué) Shin 等人于2008年研制了一款面向娛樂的仿生機器海豚。該機器海豚可實現(xiàn)嘴部張開與閉合、尾巴濺水以及噴水等人機互動功能。

中國科學(xué)院自動化研究所是國內(nèi)最早開展仿生水下機器人研究的科研院所之一。2009年，汪明等人研發(fā)了一款面向科普演示的小型機器海豚，該機器海豚體長0.56 m，尾部由三個俯仰關(guān)節(jié)和一個偏航關(guān)節(jié)構(gòu)成，頭部裝有用于實現(xiàn)浮潛運動的重心調(diào)節(jié)機構(gòu)， 通過水池邊的上位機控制機器海豚與游客互動。

2.4 探測避障

臺灣國立高雄海洋大學(xué)Yung-Lien Wan于2015年設(shè)計一條可實現(xiàn)自主運動的機器海豚，該機器海豚的尾部分為3個俯仰關(guān)節(jié)和一個偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，分別控制機器海豚的前進速度和運動方向，通過改變重心來調(diào)整海豚的俯仰角實現(xiàn)上浮下潛運動，機器海豚前端安裝有攝像頭，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法處理獲取的圖像信息，實現(xiàn)避障功能。

3 小結(jié)

仿生水下機器人以及高機動、低擾動、無污染和高效的推進效率將成為未來水下航行器的發(fā)展方向并將滲透到各個水下應(yīng)用領(lǐng)域。然而，目前的仿生水下機器人還是以電機驅(qū)動為主，這決定了其剛性的身體機構(gòu)，如何采用柔性材料比如用離子聚合物金屬復(fù)合材料、形狀記憶合金（SMA）和人工肌肉等構(gòu)造軟體機器人達到外形、游動方式與真正的水生生物相似，并且能滿足應(yīng)用需求是以后研究的重點與難點。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.01.180

劉珍娜（1987-）,女,山東巨野人,碩士研究生,初級職稱,教師,研究方向：機器人。