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一条机器鱼的创新和创业样本

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一条机器鱼,在水中可以自由的游来游去,你是否会感到惊讶?或者觉得这件事情很平常?

让机器鱼游起来简单,但要让它高效而高机动性的畅游在水中,并且实现多种用途,这可不是一件简单的事情。在日前举办的国家科学技术奖励大会上,中科院自动化所谭民研究员、侯增广研究员、喻俊志研究员、程龙研究员、王硕研究员完成的项目“仿生机器鱼高效与高机动控制的理论与方法”就获得2017年度国家自然科学奖二等奖。

一条“鱼”的研究能够获得国家科技层面的认可,何其难得。这背后,是中科院自动化所科研团队长期以来在这方面的努力。如今,中科院自动化所的科研人员还利用该技术进行了创业,孵化了相关公司。


十余年的研究

据介绍,仿生机器鱼的研究工作由复杂系统控制与管理国家重点实验室的谭民研究员组织和指导,多名研究员、副研究员和在读博士生、硕士生共同合作开展。

王硕介绍,仿生鱼作为课题组的研究内容,已经长达十余年之久。最早是在2001年,谭民老师和北京航空航天大学王田苗教授交流时,谈到是否可以将研究所智能控制算法应用于工业设计中。受其启发,他们开始了仿生鱼的研究。 2001年算是探索起步阶段,这一时期主要是对鱼类的跟踪模仿。

到2003年前后,课题组的研究进入三维仿生运动阶段。为了提高任务的环境适应性,需要机器鱼具有水中的三维运动能力,也就是需要机器鱼除了推进外还要能够上浮下潜,甚至维持某一深度。课题组在已有多关节仿生机器鱼的基础上,总结设计了一种新型机器鱼,基于改变胸鳍攻角法,完成仿生机器鱼的俯仰和浮潜运动,设计的机器鱼既可实现俯仰和浮潜,响应迅速,动态特性好。

2004年,课题组提出一种基于重心改变法的仿生机器鱼俯仰姿态与深度控制方法,用于实现机器鱼水中的浮潜运动。2005年之后,课题组开始了仿生机器鱼转身、快速起动、运动中变速和转向、倒游、定深、制动等高机动控制研究。

经过十多年的坚持和攻坚,科研人员在对鱼类深入观察的基础上,结合仿生学、机器人学、材料学、机械学和智能控制,深入探讨了鱼类游动的机制,形成了身体/尾鳍推进、胸鳍推进、子母式、长鳍、两栖、海豚式推进等多个系列,聚焦高机动、高游速两大指标,目前已实现利用多模式控制技术将多种性能集成到高性能机器鱼平台。


实际用途广泛

随着科技的深入发展和产业、军事等领域应用需求的拉动,仿生机器学研究越来越受到关注。“通过研究、学习、模仿的仿生学方法来复制和再造生物的形态、结构、功能、工作原理及控制机制等已成为机器人学的一项重要研究内容。”王硕介绍。

和普通的水下推进器相比,鱼类的游动具有高效率、高机动性、低扰动的运动特点和对复杂生存环境的高度适应性等特点。

为了适应新的需要,国内外科学家都在探索不同于螺旋桨推进的其他高效率、机动灵活的水下推进方式。“仿生机器鱼作为鱼类推进机理和机器人技术的结合点,为研制新型的水下航行器提供了一种新思路,具有重要的研究价值和应用前景,可用于狭窄或危险水下环境中的监测、军事侦察、水下救捞、水下考古、海洋生物观察、水下设备检修等工作。”王硕表示。

据了解,目前中科院自动化所研制的仿生机器鱼系统在教学科研、水质监测等领域已经得到了广泛的实际应用。比如,它在北京雁栖湖就开展过水质监测工作。

根据介绍,仿生机器鱼研究是将课题组原来积累较为深厚的智能算法,与仿生学等其他学科知识进行融合,从而开辟了一个崭新的研究方向,经过十多年的持续研究,取得了一系列的研究成果,并还将在已有的研究基础上对减阻、减重、动力、算法等诸多方面进行技术攻关,提出更多创新性的理论成果。


迈开产业化之路

令人欣喜的是,对于仿生机器鱼的研究和开发,科研人员并未将其仅仅停留在实验室阶段,而是在积极的进行产业化,并且取得了一定成果。当然,这也得益于中科院自动化所的政策支持和鼓励。2016年起,中科院自动化所通过多项措施保障科研人员‘温暖创业’,以最大限度激发其活力,推进研究所技术成果的产业落地,进一步提高科技成果转化的质量和效率。

在洛阳,依托这一技术,来自中科院自动化所的科研人员成立了中科步思德(洛阳)智控科技有限公司,专门用于放生机器鱼的商业开发。

《中国科学报》记者现场体验过这种仿生机器鱼的操作。这种“鱼”的卖点在于,它不但有着鱼的外形和鳞片,可逼真模仿鱼儿在水中游动,还可以让操作者通过编程,来设定仿生鱼的游动轨迹。目前,科研人员已经开发了大量编程的操作手册,可以让中小学生来按照说明书进行实际编程,体现动手的乐趣。

根据中科步思德(洛阳)智控科技有限公司相关负责人员向记者介绍,这种仿生机器鱼已经进入大批量生产阶段,在淘宝等电商平台上已经开始销售。目前,这种仿生机器鱼可用于科普教育等领域,在各地一些科技场馆也有所应用。对于该产品的未来市场前景,他们表示比较看好,也希望在创新创业方面有所作为。


作者:彭科峰 刘勇进 来源:科学网

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