探秘首条实用仿生鱼(组图)

http://www.sina.com.cn 2004年12月09日09:09 北京日报

　　如果没有头上的卫星定位装置，仿生机器鱼在水中的姿态，让人难辨真假。

　　今年8月，仿生机器鱼参加了对郑成功古战船遗址的水下考古探测。图为技术人员正在做机器鱼下水的准备。

记者范涛

　　近日，一条在京亮相的神秘“大鱼”，引起媒体和社会公众的极大兴趣。这条“鱼”就是我国科技界研制的第一条实用仿生机器鱼，它的这次水下活动，也被有关专家认定是“国际上首例水下仿生航行体的应用试验”。

　　这条机器鱼有什么用？做到像真鱼那样在水中自由游弋有何难？本报记者采访了这条“鱼”的诞生过程，了解到很多有关它的趣事——

　　本月5日，一条特殊的“大鱼”游进了大唐科苑游泳馆。从水面俯视，“大鱼”很像鲨鱼，体色黑漆漆的，两个胸鳍比较长，向身体两侧伸展开。与其它鱼不同的是，“大鱼”头上有个红白相间的“小蘑菇”。

　　粼粼波光下，只见“大鱼”自由自在地在水中游弋着，它缓缓摆动着尾鳍，忽而向前，忽而转弯，时而沉入水中，时而浮上水面，样子颇为悠闲。

　　其实，这条动作自如的“大鱼”并不是真鱼，它是由北京航空航天大学机器人研究所和中国科学院自动化研究所共同研制的仿生机器鱼。不要小看它，它可是我国第一条可实际应用的仿生机器鱼，它的这次水下活动，也被有关专家认定为是“国际上首例水下仿生航行体的应用试验”。

　　速度赶上真鱼巡游

　　虽然机器鱼被称做“鱼”，但实际上它是机器人，科研人员称之为鱼形机器人。一些发达国家都很重视鱼形机器人的研究，其中美、日均取得一些成果，日本三菱重工就研发出用于观赏的机器鱼，市场售价达到每条1000美元。中国科技界在这方面的水平也非常高，北航已经研制出仿生鳗鱼、机器海豚等。

　　北航机器人研究所所长王田苗介绍，机器鱼系统由动力推进系统、图像采集和图像信号无线传输系统、计算机指挥控制平台3部分组成。只要将指令通过无线电信号传给机器鱼中的计算机，计算机就可以按指令控制机器鱼做出动作。机器鱼同时装有卫星定位系统，也就是它头上的那个“小蘑菇”，如果启动该系统，机器鱼还可以自行按设定航线行进。

　　在北航机器人研究所，记者看到了这条神奇的“鱼”。离开池水之后，机器鱼露出它的真面目。从水面看机器鱼很像鲨鱼，特别是在水面游动时，背鳍露出水面，还真有些吓人。回到陆上的机器鱼看起来更像是多种鱼的集合体——从身体侧面看，体形很像罗非鱼，背鳍、腹鳍特别宽大；鱼头像草鱼的头，是个顶端钝化的圆锥体；尾巴像海豚的尾巴，只不过海豚的尾巴与水面平行，而机器鱼的尾巴是与水面垂直。

　　机器鱼的体表不是软的，非常坚硬，表面很光滑。机器鱼没有眼睛和嘴，只是在嘴的位置有一个直径5厘米的玻璃圆孔，那是水下摄像的窗口。

　　技术人员告诉记者，机器鱼体长1.23米，总重40公斤，最大下潜深度为5米。体表是复合材料，强度大、重量轻。

　　经过反复研究和调试，机器鱼已经可以完成鱼游动的基本姿态。其游动速度比人们想像得要快不少。在平静的水中，能以每小时2至3海里的速度向前游动（1海里为1852米），也就是说，机器鱼平均航速可以达到每小时4公里左右，约为每秒1.4米。

　　每秒游1.4米是什么概念呢？研究人员告诉记者，水族馆中鱼类巡游的速度基本就是这么快。虽然比起鱼类逃命时的速度要差很多，但机器鱼每秒能游1.4米已经很了不起。

　　机器鱼使用镍氢电池，能在水下连续工作两三个小时，如果用每小时4公里的航速计算，机器鱼能够持续游约10公里。

　　难在“关节”活动自如

　　让机器鱼在水中自由游动起来，花费了我国科学家4年多的时间，这充分说明了这项技术的复杂性和难度。它的诞生是各学科技术共同作用的结果。流体力学、固体力学、机械工程学、自动控制、材料科学……都要用到，哪个方面的问题解决不好，机器鱼就不能自如游起来。

　　从科研角度上分析，让机器鱼在水里游起来并不比让飞机在天上飞容易。多少年来，人类一直希望能像鸟儿一样在空中自由飞翔，像鱼一样在水中任意穿梭。然而直到今天，虽然我们有了飞机，有了潜水艇，却依然无法达到鸟和鱼的灵活机动。这是因为经过上亿年进化，动物的运动方式包含着最完美的流体力学和最精确的生物学机理，这就是为什么鸟类和鱼类在推进效率、灵敏性、可操纵性方面比当今任何人造运载器都要优越的原因。

　　鱼、鸟身上有很多关节，大脑和神经控制着关节的动作。在机器人技术上，“关节”的运动由电机完成，大脑是计算机，神经是电缆。可以设想，如果要完全按照鱼和鸟的样子模仿，那机器鸟或机器鱼需要多少台电机？如果每个电机再附加上控制动作的电脑和传输线，这样的工程量有多巨大可想而知。

　　力学在研制机器鱼上也非常重要，毫不夸张，有一点不符合力学原理，鱼都游不起来。曾一度，机器鱼的尾巴虽然摆起来了，但头也跟着一起乱晃，机器鱼在水中浑身乱抖，寸步难移。

　　最初，科研人员设计的鱼尾就像真鱼一样——鱼身后面有一段尾柄，尾柄最后端是尾鳍。真鱼的尾柄上有一些关节，机器鱼尾柄内也相应安排了几个电机，科研人员让几个电机依次运动，使机器鱼尾产生抽甩的力量，给鱼提供前进动力。可由于电机太多，鱼尾的重量与鱼头接近，这就打破了推进力的有效性。

　　问题看似简单，可要解决它就难了，因为在仿生学中，再小的问题也千头万绪，牵扯非常多的学科。最后，研究人员想出了去掉尾柄减轻重量的办法，可是只留尾鳍又产生新的问题，这就是如何保证机器鱼要转弯时，尾鳍既能保持方向，又能摆动产生推进力。总之，问题层出不穷，按下葫芦又浮起瓢。

　　首探海底古战船

　　科研人员告诉记者，仿生机器鱼不但能够在游泳池这种平静的水中游动，还能够在大风大浪中行进。此前，机器鱼曾在北戴河做过一次下海测试。实验当天，海上刮着4到6级的大风，浪高有0.4米到0.6米。由于风大浪高，科研人员没有完全放开机器鱼，而是拴上了一根渔线。他们以海面上的一个灯塔作为目标，把数据传给机器鱼。

　　机器鱼一放下水，就稳稳当当向着灯塔方向游去，虽然海浪比较大，但机器鱼随波逐流，航向丝毫没有错误。这次下水持续了一个半小时，机器鱼共游了3公里多，最后船上的工作人员已经吐得翻江倒海无法工作，但机器鱼的姿态却一点没有改变。

　　机器鱼最露脸的一次是今年8月。在福建东山县海域，机器鱼参加了郑成功古战船遗址的水下考古探测，这是我国考古工作者首次利用机器人辅助水下考古工作。

　　在两天的实际应用中，机器鱼共对3200平方米的水域进行了摄像考察，水下工作时间累计约6小时。在这次探测中，机器鱼被完全松了绑，只靠岸上科研人员的指令作业。机器鱼体内装上了一台摄像机，摄像机镜头对着鱼头的玻璃圆孔。图像信号通过“鱼”身上一条长长的电缆，先被送到浮在水面上的发射器中，再无线传到岸上的图像接收系统。这样，考古人员就可以看到实况转播了。

　　在岸上，通过一台计算机和一个数字电台，技术人员把诸如前进、转弯、上浮、下潜的指令传到机器鱼体内的计算机中，计算机则按指令控制机器鱼做出相应的动作。在研究人员的操纵下，机器鱼多次快速、灵活地接近目标，从不同角度进行拍摄录像，供正在郑成功古战船遗址现场进行水下考古的专家及工作人员下一步考察研究使用。

　　考古工作者对机器鱼的表现非常满意，认为用仿生机器鱼辅助水下考古，不仅可以代替潜水员在更深的水域长时间工作，而且提高工作效率，降低风险。

　　机器鱼将会“有头脑”

　　据介绍，仿生机器鱼内部有1台嵌入式计算机、4台电机，以及压力、位置、姿态的传感器，总造价约为十几万元。虽然机器鱼的造价不高，但作为一个水下平台，一旦给它搭载上贵重的仪器设备，机器鱼的身价就贵了。

　　严格来讲，目前的机器鱼还是一条“低等级”的“鱼”，因为其动作全部来自于技术人员的指令，无法自己根据周围环境做出反应。想让它变聪明并不难，只要给它装上声呐设备，用声呐探测周围环境，让计算机自动处理搜索回的数据，再指令机器鱼做出相应的动作，机器鱼就会变成一条“有头脑”的鱼。如果这样，机器鱼就可以游到人类无法进入的水道进行探测。据介绍，这个技术条件完全可以实现，只是成本很高。

　　中国科学院自动化研究所副所长谭民表示，经过进一步完善，鱼形机器人不仅可以用于水下考古、水中摄影、探查狭窄水道、测绘海底地形地貌，还可进行水中养殖和捕捞，并作为水下微小型运载工具，在抢险搜救等工作中发挥重要作用。

　　科研人员表示，如果仿生机器鱼的技术完全成熟，那么未来的潜水艇就有可能摆脱螺旋桨推进的方式，以更接近于鱼类的方式在水下运动。

　　摄影/谭天

　　网络编辑：李亚敏

　　