畅游湖海的仿生机器鱼

赵清竹

据悉，经过上亿年进化的鱼类在推进效率、灵活性、可操纵性等方面，具有超越任何人造水面和水下运载器的优越性，一直为仿生科学家所关注。

目前，许多先进国家都十分重视鱼形机器人的研究，美国和日本都在这一领域取得了重要成果。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。中国的一些科研单位也致力于相关的研究。2008年年初，北京航空航天大学机器人研究所和中国科学院研制名为SPC-II仿生机器鱼终于成功，而这条特殊的“大鱼”也成了我国第一条可实际应用的仿生机器鱼。

在大风大浪中安然行进

SPC-II仿生机器鱼身长1，23米，通体色泽亮黑，总重40公斤，最大下潜深度为5米。头部上方一个显眼的白色圆顶GPS导航天线，主要是通过一个如手掌大的小遥控器和一台计算机来发出各种指令。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。SPC-II仿生机器鱼可以自由灵活地穿波逐浪，载沉载浮。

负责“SPC-II仿生机器鱼”项目研究的北京航空航天大学机器人研究所所长王田苗说，这条机器鱼由动力推进系统、图像采集和图像信号无线传输系统、计算机指挥控制平台三部分组成，主要制造材料为玻璃钢和纤维板；它的最高时速可达1，5米／秒，能在水下连续工作2～3小时。

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象的要快很多。在平静的水中，它能以每小时2～3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，与鱼类巡游的速度基本相同。虽然比起鱼类逃命时的速度来说要差很多，但机器鱼每秒能游1，4米已经很了不起了。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，机器鱼能够持续游大约10公里。

据科研人员说，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4～6级的大风，浪高有0，4米～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。机器鱼一下水，就稳稳当当向着灯塔的方向游去，虽然海浪比较大，但机器鱼随波逐流，航向丝毫没有错误。下水时间持续了一个半小时，机器鱼共游了3公里多。

“访问”郑成功古战舰遗址

机器鱼最露脸的一次是，科学家使用它对福建东山县海域郑成功古战舰遗址进行了水下考古探测试验，这是我国考古工作者首次利用机器人辅助水下考古工作。

在为期两天的实际应用中，机器鱼共对4000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。考古工作者对此非常满意。

国家博物馆水下考古学研究中心负责人表示，该机器鱼航行速度能满足水下考古探测要求，操作简便，灵活性好，对环境扰动和破坏性小，可以提高工作效率，降低潜水员风险。

给机器鱼装个“头脑”

SPC-II仿生机器鱼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、材料科学等都要用到，哪个方面的问题解决不好，机器鱼就不能自如地游起来。

鱼身上有很多关节，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。如果要完全按照鱼的样子模仿，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非常重要，有一点不符合力学原理，鱼就游不起来。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。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。当然，问题最后还是解决了。

解决此问题之后，科研人员又被另一个问题所困扰着。严格地讲，目前的机器鱼还是一条“低等级”的“鱼”，其动作全部来自于技术人员的指令，它自己无法根据周围环境做出反应；而且必须给它装上声纳设备，用声纳探测周围环境，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，机器鱼才会变成一条“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，只是成本非常高。

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。科研人员还表示，如果ＳＰＣ—II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。