“海洋精靈”制作記

楊正鋮

大三時，學(xué)校開設(shè)了《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程，郭巖寶教授對單片機(jī)理論的剖析以及實(shí)驗(yàn)動手環(huán)節(jié)為我打開了自動控制的大門，我欣喜地發(fā)現(xiàn)這門技術(shù)可以控制眾多硬件設(shè)備，昔日里我腦中的許多夢想有了實(shí)際落地的可能。也是在這一年，我參加了全國大學(xué)生節(jié)能減排大賽，設(shè)計(jì)了一個閥門控制電路用于項(xiàng)目之中。最終，該項(xiàng)目獲得了國家三等獎。

2021年11月，我了解到有個機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽，大賽分為“仿生機(jī)械”和“自然修復(fù)”兩個主賽道，“仿生機(jī)械”深深吸引了我，我決定以此為未來的研究方向。

經(jīng)過一番調(diào)研之后，我發(fā)現(xiàn)水下機(jī)器人是一個絕佳的方向。我分析了一下，有兩個原因：其一是水下機(jī)器人市場尚未飽和，目前市場上的產(chǎn)品并不算多，容易做出不一樣的產(chǎn)品；其二是目前市場上的水下機(jī)器人外形都不仿生，不便靠近魚群，既然大賽的主題是仿生，我們便可以順理成章地做一個水下仿生機(jī)器人。

說干就干，團(tuán)隊(duì)找到了郭老師做指導(dǎo)老師，老師說鲹科魚類可以成為一個很好的仿生對象。初步方案設(shè)計(jì)完成之后，我們確立了項(xiàng)目的名稱：“‘海洋精靈’——仿鲹科魚類的水下攝影魚”。

一個好的想法只是萬里長征的第一步，真正的考驗(yàn)才剛剛開始。在整體方案設(shè)計(jì)完成后，機(jī)械制造是一道難關(guān)。舉例來說，剛開始加工的魚殼尺寸偏小，內(nèi)部的骨架偏大，小組成員竇嘉琳和武煜晰建議通過銼刀去磨內(nèi)部的骨架，希望把尺寸減下去。內(nèi)部骨架的材料是亞克力板，我們在師兄的實(shí)驗(yàn)室里找到了一把電動銼刀，但噪聲太大，只能在廁所加工。環(huán)境艱苦，但為了做好仿生魚，我們都堅(jiān)持著，花了幾個小時的時間，終于磨出了合適的尺寸。

我們設(shè)計(jì)的“仿鲹科魚類機(jī)器魚”在外形設(shè)計(jì)，運(yùn)動方式均是仿照鲹科魚類來進(jìn)行設(shè)計(jì)的。首先是尾鰭的設(shè)計(jì)，采用兩個舵機(jī)來模擬鲹科魚類的尾部運(yùn)動，其作為推進(jìn)的主要力量。然后是胸鰭設(shè)計(jì)，這是非常重要的一點(diǎn)，以往的機(jī)器魚設(shè)計(jì)均沒有很好地模擬出胸鰭的真實(shí)運(yùn)動狀態(tài)，我們采用舵機(jī)加齒輪組的形式控制胸鰭魚片，其向前擺動時可以自動閉合，對水阻力很小；當(dāng)向后擺動時，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性，其會自動張開，對水產(chǎn)生較大推力，向魚尾輸送小渦流，這些渦流可以改變魚尾處的流場，讓魚尾的擺動效率提升，整體魚身也會運(yùn)行更加平穩(wěn)。最后是重心改變機(jī)構(gòu)，此機(jī)構(gòu)可以在魚體運(yùn)行時將重心前移，促使魚身向下潛，也可以控制重心向后，讓魚體向上浮。至此，機(jī)器魚能在水體中實(shí)現(xiàn)基本的運(yùn)動。

機(jī)器魚制作完畢之后進(jìn)行下水測試，剛開始由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)重心不在中心線上，老是出現(xiàn)側(cè)翻現(xiàn)象，經(jīng)過平衡之后機(jī)器魚運(yùn)行平穩(wěn)，前進(jìn)速度可以達(dá)到15cm/s，主要?dú)w功于魚尾兩個舵機(jī)的良好配合以及胸鰭產(chǎn)生渦流的助力。與此同時，機(jī)器魚在轉(zhuǎn)彎功能的實(shí)現(xiàn)上效果也非常靈敏，通過相關(guān)代碼的編寫，機(jī)器魚可以靠直行和轉(zhuǎn)彎的配合去通過很多水下狹長場景，將來在水下探索和救援方面具有很好的前景。由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，機(jī)器魚的浮力大，可以搭載非常多的外設(shè)，我們實(shí)驗(yàn)過水深探測器，水下攝像頭，水下照明燈，紅外傳感器等，可以實(shí)現(xiàn)多種功能。機(jī)器魚在水下攝影方面加載了用于保證穩(wěn)定的云臺，使得水下拍攝的魚群等景色非常清晰穩(wěn)定，加上魚體本身的仿生設(shè)計(jì)，容易融入魚群進(jìn)行近距離拍攝，有利于水下跟蹤魚群。

在“海洋精靈”項(xiàng)目進(jìn)行期間，我深深感受到了課堂上所學(xué)的“可靠性”這個概念。機(jī)器魚是需要防水處理的，防水需要一個密封的裝置，也就是魚殼，這樣才能把電控元件，電池等不能接觸水的物品包裹在魚身體內(nèi)部?？墒茄b完之后如果內(nèi)部電路出問題，就需要一點(diǎn)一點(diǎn)地拆，當(dāng)初裝的時候有多賣力，需要拆的時候就有多費(fèi)力，因此大家都在心中默默祈禱電路別出問題，畢竟誰也不想拆開魚殼。

最惱火的一次是裝之前都好好的，裝完之后仿生魚卻不動了，前后試了三次，每一次都這樣，團(tuán)隊(duì)成員都感到很崩潰。后來仔細(xì)審查電路才發(fā)現(xiàn)當(dāng)把魚殼用螺絲釘緊固的時候，內(nèi)部空間會發(fā)生比較大程度的擠壓，其中一根信號線的金屬部分受到擠壓接觸到了接地排針上，導(dǎo)致舵機(jī)的信號端收到的信號始終是零，所以才沒有反應(yīng)。為此，我們把信號線牢牢焊在一起，這才解決了問題。

做科研時還遇見了很多哭笑不得的事。比如說同一電路中元器件的地線接在一起是基本的電路知識，我和小組成員徐云飛自信滿滿接好電路之后完全忘記了這一點(diǎn)，結(jié)果元器件毫無反應(yīng)。一旁的同學(xué)調(diào)侃道：“這么基本的東西都忘了，真是考試啥都會，動手全白費(fèi)?！闭f完大家哈哈大笑起來。是啊，紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行，在實(shí)踐中才能真正掌握專業(yè)知識。

在比賽前期，出現(xiàn)了各種各樣的問題，我前前后后拆開又重裝了十次左右，玻璃膠用完了好幾瓶。在決賽前一天晚上電路又出問題了，我忙到凌晨才把電路焊牢固。

最終，我們順利完成了線上答辯，項(xiàng)目也獲得了北京市一等獎。

責(zé)任編輯：宋明晏