复杂系统控制国家重点实验室：寻找来自鱼类灵感

如果没有一旁的电器，你可曾会想到这是一只人工研制的仿生鱼。自动化所供图

■通讯员 宋琪

如果看到一条游动的鱼，你会想到什么？也许有人会联想到美食——清蒸的会非常鲜美，红烧的口感应该会更加香。

然而，在中科院自动化所仿生机器鱼课题组，组员们给出的答案却超出了日常生活：“看见尾鳍的一摆一动，我们想到的是如何能进一步改进控制算法，在仿生鱼身上更完美地实现鱼类的波动推进方式。”

“用智能算法来理解鱼之乐”

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研究员谭民组织和指导，多名研究员、副研究员和在读博士生、硕士生共同合作开展。

课题组成员、研究员王硕说：“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教授王田苗交流时，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，课题组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。

2003年前后，课题组的研究进入到一个新的阶段：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。

随后，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。据介绍，这种方法利用一种可调整位置的配重块结构，以改变机器鱼的重心位置，进而实现机器鱼俯仰姿态的调节。

经过十多年的坚持和攻坚，课题组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。

据课题组成员介绍，他们所研制出的多仿生机器鱼群体协作与控制仿生机器鱼，是参照鱼类游动的推进机理，利用机械、电子元器件和智能材料实现水下推进的运动装置，具有低噪声、高效率、高机动性、高隐蔽性等特点。

“在鱼类身上找寻前行的新力量”

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。”王硕说。

鱼类作为自然界最早出现的脊椎动物，经过亿万年的自然选择，进化出了非凡的水中运动能力，其游泳技巧远远超出人类现有的航海技术。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。王硕表示，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。

目前，仿生机器鱼系统的研究在理论和应用等方面已开展了很多研究工作，研究已经表明波动推进方式具有很多独特的优势。课题组成员介绍说，一些发达国家很重视仿生鱼的研究，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。目前，自动化所在这方面的研究已经积累十余年的时间，研发水平也处于世界的前列。

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。

王硕指出：“波动推进是一种不同于螺旋桨的推动方式，这种深藏在自然界的力量值得我们投注心力，需要人们潜心去研究，将为水下航行提供一种新的前行力量。”

“像鱼一样自由自在地畅游”

关于仿生鱼的研究，离不开对鱼类的观察，或者说，离不开针对各种鱼类的相关研究。

喻俊志于2006年开始进行海豚相关研究。多年来，一直潜心于观察海豚的各种动作。“在所有能够跃水的水生动物中，海豚采用背腹式推进，即在竖直面内上下拍动尾鳍，能够得到更佳的俯仰机动能力，更适于在水面附近做上下翻飞的动作，具有比其他鱼类更小的跃水门限速度。”

根据这一观察结果，喻俊志和同事们一起开始着手研制可以跃出水面的机器海豚。这一目标经过多年的努力，于今年夏天取得了阶段性进展。课题组基于攻角的机器海豚快速游动控制算法，实现了1.5倍体长的最高直线游速，并在国际上首次实现了机器海豚的跃水：机器人身体完全跃出水面，并完整复现“出水——空中滑行——再入水”这一生物跃水过程。

“现在对于海豚已经有了一种特殊的感情，周末有时间的话，就会带着孩子一起到海洋馆看海豚表演，观赏海豚跃出水面的美丽瞬间。” 喻俊志说。

尽管课题组已经取得了不少的成果，但在和课题组成员的交流中，他们无不说到“这些都还只是基础阶段的研究”。

喻俊志坦言：“要想实现像鱼类一样自由自在地游动，还有很多的困难要面对，毕竟从理论到应用还要面对更为复杂的环境考验，每一次成功都是建立在无数次尝试和失败的基础上。而每一次克服失败之后，就又会面对新的问题，在这样一个过程中，自己总是舍不得停下来，不知不觉便坚持了十余年。”

“子非鱼，焉知鱼之乐？”课题组成员潜心于仿生鱼的研制，用大量的心血和精力投注在各类鱼上。在他们的心里，如期实现仿生鱼的各种动作的过程就如同鱼儿在畅游，他们也自由自在地徜徉在智能算法的世界里。