暢游湖海的仿生機器魚

趙清竹

據悉，經過上億年進化的魚類在推進效率、靈活性、可操縱性等方面，具有超越任何人造水面和水下運載器的優越性，一直為仿生科學家所關注。

目前，許多先進國家都十分重視魚形機器人的研究，美國和日本都在這一領域取得了重要成果。日本三菱重工就研發出用于觀賞的機器魚，市場售價達到每條1000美元。中國的一些科研單位也致力于相關的研究。2008年年初，北京航空航天大學機器人研究所和中國科學院研制名為SPC-II仿生機器魚終于成功，而這條特殊的“大魚”也成了我國第一條可實際應用的仿生機器魚。

在大風大浪中安然行進

SPC-II仿生機器魚身長1，23米，通體色澤亮黑，總重40公斤，最大下潛深度為5米。頭部上方一個顯眼的白色圓頂GPS導航天線，主要是通過一個如手掌大的小遙控器和一臺計算機來發出各種指令。機器魚沒有眼睛和嘴，只是在嘴的位置有一個直徑5厘米的玻璃圓孔，那是水下攝像的窗口。SPC-II仿生機器魚可以自由靈活地穿波逐浪，載沉載浮。

負責“SPC-II仿生機器魚”項目研究的北京航空航天大學機器人研究所所長王田苗說，這條機器魚由動力推進系統、圖像采集和圖像信號無線傳輸系統、計算機指揮控制平臺三部分組成，主要制造材料為玻璃鋼和纖維板；它的最高時速可達1，5米／秒，能在水下連續工作2～3小時。

經過反復研究和調試，機器魚已經可以完成魚游動的基本姿態，其游動速度比人們想象的要快很多。在平靜的水中，它能以每小時2～3海里的速度向前游動(1海里為1852米)，也就是說，機器魚平均航速可以達到每小時4公里左右，約為每秒1，4米，與魚類巡游的速度基本相同。雖然比起魚類逃命時的速度來說要差很多，但機器魚每秒能游1，4米已經很了不起了。機器魚使用鎳氫電池，能在水下連續工作兩三個小時，如果用每小時4公里的航速計算，機器魚能夠持續游大約10公里。

據科研人員說，仿生機器魚不但能夠在游泳池這種平靜的水中游動，還能夠在大風大浪中行進。此前，機器魚曾在北戴河做過一次下海測試。實驗當天，海上刮著4～6級的大風，浪高有0，4米～0，6米。由于風大浪高，科研人員沒有完全放開機器魚，而是拴上了一根漁線。

他們以海面上的一個燈塔作為目標，把數據傳給機器魚。機器魚一下水，就穩穩當當向著燈塔的方向游去，雖然海浪比較大，但機器魚隨波逐流，航向絲毫沒有錯誤。下水時間持續了一個半小時，機器魚共游了3公里多。

“訪問”鄭成功古戰艦遺址

機器魚最露臉的一次是，科學家使用它對福建東山縣海域鄭成功古戰艦遺址進行了水下考古探測試驗，這是我國考古工作者首次利用機器人輔助水下考古工作。

在為期兩天的實際應用中，機器魚共對4000平方米的水域進行了攝像考察，水下工作時間累計約6小時。在探測中，機器魚被完全松了綁，只靠岸上科研人員的指令作業。機器魚體內裝上了一臺攝像機，攝像機鏡頭對著魚頭的玻璃圓孔。圖像信號通過“魚”身上一條長長的電纜，先被送到浮在水面上的發射器中，再無線傳到岸上的圖像接收系統。這樣，考古人員就可以看到實況轉播了。

在岸上，通過一臺計算機和一個數字電臺，技術人員把諸如前進、轉彎、上浮、下潛的指令傳到機器魚體內的計算機中，計算機則按指令控制機器魚做出相應的動作。在研究人員的操縱下，機器魚多次快速、靈活地接近目標，從不同角度進行拍攝錄像，供正在鄭成功古戰船遺址現場進行水下考古的專家及工作人員下一步考察研究使用?？脊殴ぷ髡邔Υ朔浅M意。

國家博物館水下考古學研究中心負責人表示，該機器魚航行速度能滿足水下考古探測要求，操作簡便，靈活性好，對環境擾動和破壞性小，可以提高工作效率，降低潛水員風險。

給機器魚裝個“頭腦”

SPC-II仿生機器魚的誕生是各學科技術共同作用的結果。流體力學、固體力學、機械工程學、自動控制、材料科學等都要用到，哪個方面的問題解決不好，機器魚就不能自如地游起來。

魚身上有很多關節，大腦和神經控制著關節的動作。在機器人技術上，“關節”的運動由電機完成，大腦是計算機，神經是電纜。如果要完全按照魚的樣子模仿，那機器鳥或機器魚需要多少臺電機?如果每個電機再附加上控制動作的電腦和傳輸線，這樣的工程量有多巨大?可想而知。

力學在研制機器魚上非常重要，有一點不符合力學原理，魚就游不起來。曾一度，機器魚的尾巴雖然擺起來了，但頭也跟著一起亂晃，機器魚在水中渾身亂抖，寸步難移。

最初，科研人員設計的魚尾就像真魚一樣——魚身后面有一段尾柄，尾柄最后端是尾鰭。真魚的尾柄上有一些關節，機器魚尾柄內也相應安排了幾個電機，科研人員讓幾個電機依次運動，使機器魚尾產生抽甩的力量，給魚提供前進動力?？捎捎陔姍C太多，魚尾的重量與魚頭接近，這就打破了推進力的有效性。最后，研究人員想出了去掉尾柄減輕重量的辦法，可是只留尾鰭又產生新的問題，這就是如何保證機器魚要轉彎時，尾鰭既能保持方向，又能擺動產生推進力。當然，問題最后還是解決了。

解決此問題之后，科研人員又被另一個問題所困擾著。嚴格地講，目前的機器魚還是一條“低等級”的“魚”，其動作全部來自于技術人員的指令，它自己無法根據周圍環境做出反應；而且必須給它裝上聲納設備，用聲納探測周圍環境，讓計算機自動處理搜索回的數據，再指令機器魚做出相應的動作，機器魚才會變成一條“有頭腦”的魚。如果這樣，機器魚就可以游到人類無法進入的水道進行探測。據介紹，這個技術條件完全可以實現，只是成本非常高。

中國科學院自動化研究所副所長譚民表示，經過進一步完善，魚形機器人不僅可以用于水下考古、水中攝影、探查狹窄水道、測繪海底地形地貌，還可進行水中養殖和捕撈，并作為水下微小型運載工具，在搶險搜救等工作中發揮重要作用?？蒲腥藛T還表示，如果ＳＰＣ—II仿生機器魚的技術完全成熟，那么，未來的潛水艇就有可能擺脫螺旋槳推進的方式，以更接近于魚類的方式在水下運動。