靈感來自海灘上的彈涂魚

陳彥希 王佳佳

退潮時(shí)，廈門的沙坡尾海灘上常?？梢钥吹揭恍┖诤鹾醯摹⑴纴砼廊ィ€不停跳躍的魚，那就是彈涂魚。

彈涂魚不僅可以在岸上爬，還能在水里游，這種兩棲的特點(diǎn)吸引了廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院的張宇教授，并讓他產(chǎn)生了發(fā)明“兩棲機(jī)器人”的想法。

經(jīng)過長時(shí)間設(shè)計(jì)研發(fā)，這一想法終于成真。不久前，張宇團(tuán)隊(duì)及其合作者研發(fā)的“仿生彈涂魚兩棲機(jī)器人（MIARF）”終于亮相。

實(shí)地測試證明，該機(jī)器人能夠根據(jù)水陸兩種不同的運(yùn)動(dòng)環(huán)境，采用不同的運(yùn)動(dòng)模式——通過胸鰭-尾鰭的協(xié)調(diào)作用，實(shí)現(xiàn)陸地及水下復(fù)雜環(huán)境中的高能量效率與高機(jī)動(dòng)性。近日，相關(guān)成果發(fā)表于Cell旗下期刊《Cell?Reports?Physical?Science》。

專門研究魚的團(tuán)隊(duì)

實(shí)際上，這不是張宇團(tuán)隊(duì)第一次研究仿生機(jī)器魚了。在此之前，團(tuán)隊(duì)就曾開展過許多關(guān)于仿生魚的研究——仿生鯊魚、仿生刀魚、仿生金槍魚、仿生水母

為什么要研究仿生魚？海洋約占地球表面積的71%，但對(duì)于人類來說，約95%的海洋是未知的。因此，認(rèn)識(shí)海洋、探測海洋成為一個(gè)迫切的問題。而仿生機(jī)器人作為認(rèn)識(shí)和探測海洋的前沿載體技術(shù)，起著重要作用。相比起人，機(jī)器人更適合在復(fù)雜和缺氧的水下環(huán)境進(jìn)行大量探測。

傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人一般通過螺旋槳驅(qū)動(dòng)或空輪式驅(qū)動(dòng)，機(jī)動(dòng)性較差，在狹小的空間內(nèi)，傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人無法有效工作。而真實(shí)的生物，比如魚類，可以在遠(yuǎn)小于自身身體大小的空間里有效轉(zhuǎn)向，這對(duì)于研究在復(fù)雜空間內(nèi)作業(yè)的仿生機(jī)器人有重要借鑒意義。

兩棲機(jī)器人既能入水，又可上地，靈活適應(yīng)環(huán)境，能夠完成需要跨介質(zhì)的環(huán)境監(jiān)測、搜索救援等工作。但由于技術(shù)原因，大部分的兩棲機(jī)器人難以實(shí)現(xiàn)有效的兩極切換，且尺寸笨重、噪聲較大、運(yùn)動(dòng)效率低下、隱蔽性不強(qiáng)。于是，張宇團(tuán)隊(duì)基于彈涂魚的生物靈感，設(shè)計(jì)了一款具有較高運(yùn)動(dòng)效率和環(huán)境適應(yīng)性的機(jī)器魚。

仿生彈涂魚，銀獎(jiǎng)！

這項(xiàng)頗具創(chuàng)新點(diǎn)的課題，最早要追溯到2019年的一次比賽。

在往年的國際水中機(jī)器人大賽（現(xiàn)國際先進(jìn)機(jī)器人及仿真技術(shù)大賽）中，廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院就曾用仿生鯊魚拿下過金獎(jiǎng)。2019年，張宇帶領(lǐng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)參賽時(shí)，他們犯了難——這一次做什么“魚”好呢？張宇靈光一閃，給項(xiàng)目成員提了一個(gè)特別的建議：“我們這次做彈涂魚！”

那么，如何用機(jī)器模仿彈涂魚的兩棲行為呢？

實(shí)際上，彈涂魚能在陸地上運(yùn)動(dòng)，它發(fā)達(dá)的胸鰭“功不可沒”。在地面上活動(dòng)時(shí)，彈涂魚的胸鰭就像兩根拐杖，它會(huì)先伸出“拐杖”支撐起身體，然后迅速地把身體拖向前去。如此反復(fù)，宛如一個(gè)使用雙拐行走的人。而在水下，彈涂魚則使用尾鰭和身體的擺動(dòng)來完成游動(dòng)。

當(dāng)時(shí)的項(xiàng)目成員采用多舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，用多個(gè)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)胸鰭的爬行，一個(gè)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)尾部的擺動(dòng)，簡單地將兩種功能組合在了一起。這個(gè)項(xiàng)目最終獲得了該比賽的銀獎(jiǎng)，但在張宇眼中，它的潛力遠(yuǎn)不止于此。但由于當(dāng)時(shí)缺乏合適的人才，仿生彈涂魚這個(gè)點(diǎn)子，就此沉寂了下去。

仿生彈涂魚，再生！

事情在2021年迎來了轉(zhuǎn)機(jī)。

張宇說：“從科創(chuàng)到形成真正意義上的科研突破，需要有針對(duì)性地研究問題。比如要研究材料、控制或是流體，如何從一個(gè)現(xiàn)象中去提取規(guī)律，這都要找到合適的人。”

而對(duì)仿生機(jī)器人有濃厚興趣、本科學(xué)習(xí)過程裝備與控制工程專業(yè)的研究生鄭煒，以及從事流體力學(xué)研究的博士后林中路等同學(xué)就是張宇口中“合適的人”。他們加入后，一個(gè)由本科生、碩博士生、博士后組成的團(tuán)隊(duì)漸成規(guī)模，仿生彈涂魚的項(xiàng)目又開始了“新生之路”。

如何把本科大創(chuàng)（全稱為“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目”）的仿生彈涂魚這樣的研究雛形，改造為更加成熟、更具應(yīng)用價(jià)值的科研成果呢？

首先，要將仿生彈涂魚的兩棲功能有機(jī)地組合起來，充分發(fā)揮胸鰭和尾鰭的協(xié)調(diào)作用，而不僅僅是簡單拼湊。

通過長時(shí)間觀察以及查閱大量文獻(xiàn)，團(tuán)隊(duì)成員發(fā)現(xiàn)，雖然彈涂魚主要依靠胸鰭在陸地上運(yùn)動(dòng)，但它的尾鰭也起到了重要的協(xié)調(diào)作用。尾鰭通過對(duì)地面的摩擦，使彈涂魚可以很好地轉(zhuǎn)向。于是，項(xiàng)目組將胸鰭和尾鰭的運(yùn)動(dòng)有效地協(xié)調(diào)起來，從而大大減小了機(jī)器魚的轉(zhuǎn)向半徑，提高了轉(zhuǎn)向速度。

而在水下，胸鰭發(fā)揮了穩(wěn)定平衡和浮潛的作用。胸鰭就像飛機(jī)的機(jī)翼，當(dāng)胸鰭向上折，彈涂魚就可以往下沉；而當(dāng)胸鰭向下折，彈涂魚就能浮起來?；诖耍瑘F(tuán)隊(duì)成員進(jìn)一步完善了仿生機(jī)器魚在水下的運(yùn)動(dòng)。

此外，優(yōu)化彈涂魚模型的過程，還涉及胸鰭材料選取、流體力學(xué)設(shè)計(jì)等問題

經(jīng)過團(tuán)隊(duì)成員的不斷修改和打磨，最終，仿生彈涂魚具有了高機(jī)動(dòng)性和環(huán)境適應(yīng)性，其陸地和水下運(yùn)動(dòng)的最小運(yùn)輸成本分別為4.56和2.02，優(yōu)于許多現(xiàn)有的兩棲和單模態(tài)機(jī)器人。

其實(shí)，團(tuán)隊(duì)的很多科研靈感，最初都來源于一個(gè)本科生俱樂部。2016年，張宇帶領(lǐng)一群熱愛海洋仿生的學(xué)生，建立了水下探測機(jī)器人創(chuàng)新俱樂部。他們從自然界中提煉有意思的現(xiàn)象，挖掘出機(jī)制上的創(chuàng)新點(diǎn)，通過科學(xué)的方法將其運(yùn)用到實(shí)際中。幾年來，俱樂部成員拿下過多次國際先進(jìn)機(jī)器人及仿真技術(shù)大賽的獎(jiǎng)項(xiàng)，一些同學(xué)本科畢業(yè)后，又進(jìn)入了張宇的團(tuán)隊(duì)讀研，繼續(xù)致力于水下機(jī)器人的研究

“仿生彈涂魚這類的兩棲機(jī)器人研究，在國內(nèi)乃至世界范圍內(nèi)都不算成熟，我們也是摸著石頭過河。在科研中，只有廣泛地去研究，才能有不一樣的結(jié)果?！编崯樥f。

未來，張宇團(tuán)隊(duì)希望通過進(jìn)一步研究，使仿生彈涂魚在環(huán)境探測、生態(tài)保護(hù)等方面實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低功耗、網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用。

責(zé)任編輯：丁莉莎