仿生机器鱼走向实际应用

2022-08-11 16:16:18 52

不久前,世界首条仿生鲸鲨在上海海昌海洋公园亮相。这条身长4.7米的庞然大物在水中灵活自如、以假乱真,不仅可以进行精彩的水下表演,还能搭载传感器进行水质监测和摄影摄像等。仿生机器鱼从理论研究逐步走向实际应用,带给人们更多期待。

“见窾木浮而知为舟,见飞蓬转而知为车”。观察并模仿自然行为,是人类创新的重要源泉。随着仿生机器人技术的不断发展,像鱼儿一样在水中遨游探索的仿生机器鱼应运而生。1994年,美国以金枪鱼为原型研制出世界上条仿生机器鱼。中国首条仿生机器鱼则以中华鲤鱼为原型。

仿生机器鱼属于跨学科交叉领域。其外形结构的设计要用到仿生学原理,模仿鱼类运动主要采用运动控制技术,而在赋予其鱼类感知能力如听觉、触觉和视觉时,会加入仿生侧线、鱼眼相机等传感器,甚至采用人工智能方法让它们更“聪明”。此外,材料制备、智能规划与决策等技术手段也不可或缺。

相较于传统的螺旋桨推进水下机器人,仿生机器鱼在环保、效率、机动性等方面优点显著。它结构密封,锂电池和驱动机构往往安装在内部,对水体没有污染且不易缠绕水草,能更好融入自然环境,对真实鱼类不会造成伤害;它模仿鱼类的摆动,具有更理想的流体力学性能,能量效率大大提高;它还能模仿鱼类C形转向、前后滚翻等复杂动作,展现出更强大的机动性能。

海洋生物种类多样、各有天赋,比如海豚以跃水闻名,金枪鱼可以高速巡游,䲟鱼在远程航行中大多吸附在大型鱼类身上以节省能量……受不同生物特性启发,仿生机器鱼也是各式各样。近年来,我国仿生机器鱼团队研制了丰富多彩的机器鱼系统,包括机器金枪鱼的高速航行、机器䲟鱼的自主动态吸附以及在国际上实现机器海豚的跃水等多项成果。

这些仿生机器鱼可不是“花拳绣腿”,而是具有重要的理论意义和广泛的实用价值。在生物研究领域,它可以辅助研究鱼类游动机理,探索鱼群效应等鱼游生物学现象;在工程领域,它可以在狭窄或危险的水下环境中开展水质监测、救捞、考古、设备检修、海洋地图测绘、海洋生物拍摄、可燃冰探测等工作。它还可以在海洋馆中代替珍稀野生鱼类以供科普。一些企业也从中获得启发,比如丰田汽车利用箱鲀构造生产车型。

总体来看,仿生机器鱼在仿生基本原理和系统集成等方面发展很快,各类成果纷纷亮相。不过,受限于制作材料和驱动机构,目前仿生机器鱼的运动性能与真鱼相比仍有一定差距,包括长时巡游速度、瞬间爆发力等,其感知技术水平也相对有限。此外,海洋环境错综复杂,对于稳定性、可靠性和智能性有着极高要求,目前大多仿生机器鱼尚不具备在恶劣海洋环境下开展作业的能力。

未来,随着材料学、控制学以及人工智能的发展,期待仿生机器鱼作为一种新型海洋装备在高仿生特性、高运动特性、强智能特性等方面进一步提高技术水平,为人类认识、探索和利用海洋发挥更大作用。

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