吴正兴受访者供图
■本报记者 赵广立
有人说，毁掉一个人兴趣的最快方式，就是把它当成事业去做。对此，中科院自动化研究所（以下简称自动化所）研究员吴正兴并不认同。
十多年前还在读研时，想到仿生，吴正兴头脑中浮现的是“有趣”“知识”“创新”这些词汇。而今，当他和团队亲手把仿生机器海豚、仿生金枪鱼、仿生蝠鲼等放进湖里、海里后，他的感受又丰富了许多。
把仿生机器鱼当成事业，吴正兴不仅没有失去兴趣，还“越陷越深”。迄今，他所发表和参与发表的数十篇SCI期刊论文、已授权的国际国内30多项发明专利、所主持的10项基金或人才项目，都离不开“水下仿生智能机器人”这个关键词。今年，他又凭借长期出色的水下仿生机器人系统研发工作，荣获第一届“中国科学院青年五四奖章”。
越了解越神往
鲁班被锯齿草划伤手臂，受此启发发明了锯子；蝙蝠能超声定位，科学家据此发明了雷达……少年时，吴正兴就对这些故事格外感兴趣。大自然是个宝库！于是他时不时就会留意身边的自然万物，想着会不会受启发发明一些新东西。
兴趣归兴趣，在读研之前，吴正兴也没想过自己会从事与仿生相关的科学研究。
吴正兴初到自动化所读研时，课题组的方向是机器人控制。导师谭民研究员给了他半年时间，让他“根据自己的兴趣爱好去选择科研方向”。
那时他觉得仿生机器鱼“挺好玩”，利用各类知识，让一堆没有生命的机械零件像鱼一样在水里游来游去，很神奇。没过多久，吴正兴就确定了自己的研究方向——水下仿生智能机器人。
在课题组老师们的帮助下，吴正兴查文献、找资料，对鱼类的机动性能有了更多认识。在查阅材料中，他看到北美狗鱼在捕食时可以像射出的箭一样发起进攻，那视觉冲击力令人惊叹。于是，能模仿狗鱼的高机动运动的仿生机器狗鱼成了吴正兴科研路上的第一条机器鱼。
随着研究的深入，吴正兴接触的知识越多越丰富，他就越觉得鱼类很神奇。“我心里会止不住地想要把这些功能都仿生出来，这促使我继续往深处挖，也让我更执着于这个领域。”
吴正兴所在团队选择的仿生对象各具特色。
海豚、鲨鱼和金枪鱼游动时采用的都是BCF模式（身体/尾鳍推进模式），能够高速、高效率游动。但海豚与鲨鱼、金枪鱼又不太一样，它在游动中身体具有更明显的柔性波动，机动能力特别强，能够轻易做出跃水、滑浪等动作。
蝠鲼则采取MPF模式（中间鳍/对鳍推进模式）游动，它用两侧宽大的胸鳍推动身体，稳定性更佳。研究团队分别将它们作为仿生对象，给水下仿生机器人赋予不同的特色和优势。
“我们团队以点斑原海豚为仿生对象研发的高速仿生机器海豚，实现了仿海豚式的连续跃水运动，具有非常好的高速、高机动能力；以金枪鱼为对象研制的仿生机器金枪鱼每秒游动距离超3倍体长，表现出非常好的高速性能；而以蝠鲼为对象研制的仿生机器蝠鲼，实现了原地转向、竖直面内翻滚运动等，机动能力非常好，而且由于平台稳定性强，可以搭载摄像头等设备，实现水下拍摄、感知、识别等功能。”介绍起他们的机器鱼来，吴正兴如数家珍。
工程经验是一点点积累的
仿生机器鱼具有优越的游动性能，展现出了很好的应用前景。然而，实验研究和工程应用还间隔着鸿沟。
吴正兴说，实验室的水池和野外环境完全不同，理论方法和工程应用也是两套思路。“理论方法偏重验证性，工程应用则讲究实用性，后者对平台的稳定性、耐久性等提出了很高的要求。”
前期在工程应用中吴正兴和团队确实遇到了不少问题，但他们没有停下脚步。
明明在实验室测试时没问题，但在湖里、海里工作时间一长，机器鱼的密封性、结构稳定性就容易出问题。加之团队的工程经验不足，许多工程技术问题在机器鱼们走出实验室的过程中暴露出来。
兵来将挡，水来土掩。“这个过程就是‘迭代’。”吴正兴说，每一次改进和优化都非常耗时耗力，但他们不辞辛苦，加班加点、日夜不辍，不断根据工程环境优化改进，硬是把仿生系统的工程能力给磨炼出来了。
吴正兴记得，博士刚毕业时他带着师弟和学生们做机器海豚试验，在北京找不到特别深的水池，只好租用一家潜水馆，但只能在晚上对方不用时才能去试验。于是，一到晚上，实验室几乎全员出动，抬机器、拍照、记录、控制……大家都抢着干，一做就是一个通宵。
“经验就是这样一点点积累的。”吴正兴告诉《中国科学报》，还有个好玩的变化可以说明一些问题。刚开始“海试”的时候，大家都不太适应，晕船晕得厉害，有同事甚至在船上起不了床，他也吐得一塌糊涂。而如今，大家上了船已经熟知该怎么保持状态了——什么时候该动、什么时候躺着、用多大动作幅度等，俨然成了“老水手”。
变化的诀窍是“遇到问题再晕再苦也不退缩”。吴正兴这支工程队伍以“85后”“90后”为主，用他的话说是“朝气蓬勃、意气风发、干劲十足、有活力有激情”。在自动化所研究员周超的带领下，他们“下得了海、熬得了夜、吃得了苦”，遇到难题，逢山开路、遇水搭桥，“都是这么过来的”。
现在，吴正兴所在团队研发的仿生机器海豚，已经可以搭载一些水质监测传感器承担实际的工作。他向记者介绍说，他们先后在北京雁栖湖、青海玉树水库等地成功开展了水质监测应用验证等，取得了不错的效果。
不过，他也告诉记者，团队现在的仿生机器鱼技术成熟度还有待提高，错综复杂的海洋、湖泊等的水文环境对机器鱼系统的稳定性和智能程度也有非常高的要求，他们“仍在路上”。
精彩纷呈的仿生鱼世界
仿生机器鱼是一类新型水下移动机器人，它们的应用前景有着极大的想象空间。比如，它们可以是生物学家探索海洋生物的“第三只眼”，也可以是摄影师水下拍摄的“好搭档”，还可能成为水下救援、水下考古、水下设备检修、探测可燃冰等场景的重要工具。
吴正兴告诉《中国科学报》，目前，国外有很多大学、科研机构、科技公司在研究仿生机器鱼，做出了不少成果。而国内的研究也不甘落后，比如北京航空航天大学文力教授团队对鮣鱼的吸盘结构感兴趣，研发了仿生吸盘；浙江大学李铁风教授团队以柔性材料见长；西北工业大学潘光教授团队的工程化水平很高，实现了仿生蝠鲼千米深度的滑翔……吴正兴所在的研究团队，则把机器鱼的“高速、高机动性”作为重点方向，先后实现了仿生机器海豚的连续跃水运动、高机动仿生机器鱼每秒670°转身、高速机器鱼超过7倍体长/秒的游速、仿生蝠鲼的竖直翻滚运动等。
这些仿生机器鱼的研究各具特色。不过，与真实鱼类相比，这些研究和工程化探索的仿生鱼受限于材料和驱动器技术等，在长时间巡游速度、瞬时爆发力、感知水平等方面还差得远。
“仿生机器鱼从实验室走向工程应用确实不容易，我们在慢慢成长。”吴正兴对《中国科学报》说。
研究团队深耕仿生机器鱼这个研究方向，培养了一批研究生，也取得了一系列科研成果。但是吴正兴觉得，许多成果都只发表了学术论文，“始终缺少一个系统性、全面性的总结”。
他找谭民、喻俊志两位导师商量，觉得应该把团队研究的一部分工作串联起来，系统性地做点总结。三人一拍即合，合著了专业科普书《水下仿生智能机器人》。在这本书中，他们介绍了几种机器鱼平台的仿生机构设计、运动建模和智能跟踪控制等。
“这些成果理论联系实际，介绍得非常详细，一是希望将我们的一些学术见解和心得体会进行分享，与他人交流；二是为从事类似研究的工作人员提供一些参考。”吴正兴说，“三是为一些学生和喜欢仿生机器鱼的人提供科普读物，欢迎他们凭着兴趣来到仿生鱼的精彩世界。”
《中国科学报》 (2022-06-16 第1版 要闻)
