“海洋精灵”制作记

杨正铖

大三时，学校开设了《单片机原理及应用》课程，郭岩宝教授对单片机理论的剖析以及实验动手环节为我打开了自动控制的大门，我欣喜地发现这门技术可以控制众多硬件设备，昔日里我脑中的许多梦想有了实际落地的可能。也是在这一年，我参加了全国大学生节能减排大赛，设计了一个阀门控制电路用于项目之中。最终，该项目获得了国家三等奖。

2021年11月，我了解到有个机械创新设计大赛，大赛分为“仿生机械”和“自然修复”两个主赛道，“仿生机械”深深吸引了我，我决定以此为未来的研究方向。

经过一番调研之后，我发现水下机器人是一个绝佳的方向。我分析了一下，有两个原因：其一是水下机器人市场尚未饱和，目前市场上的产品并不算多，容易做出不一样的产品；其二是目前市场上的水下机器人外形都不仿生，不便靠近鱼群，既然大赛的主题是仿生，我们便可以顺理成章地做一个水下仿生机器人。

说干就干，团队找到了郭老师做指导老师，老师说鲹科鱼类可以成为一个很好的仿生对象。初步方案设计完成之后，我们确立了项目的名称：“‘海洋精灵’——仿鲹科鱼类的水下摄影鱼”。

一个好的想法只是万里长征的第一步，真正的考验才刚刚开始。在整体方案设计完成后，机械制造是一道难关。举例来说，刚开始加工的鱼壳尺寸偏小，内部的骨架偏大，小组成员窦嘉琳和武煜晰建议通过锉刀去磨内部的骨架，希望把尺寸减下去。内部骨架的材料是亚克力板，我们在师兄的实验室里找到了一把电动锉刀，但噪声太大，只能在厕所加工。环境艰苦，但为了做好仿生鱼，我们都坚持着，花了几个小时的时间，终于磨出了合适的尺寸。

我们设计的“仿鲹科鱼类机器鱼”在外形设计，运动方式均是仿照鲹科鱼类来进行设计的。首先是尾鳍的设计，采用两个舵机来模拟鲹科鱼类的尾部运动，其作为推进的主要力量。然后是胸鳍设计，这是非常重要的一点，以往的机器鱼设计均没有很好地模拟出胸鳍的真实运动状态，我们采用舵机加齿轮组的形式控制胸鳍鱼片，其向前摆动时可以自动闭合，对水阻力很小；当向后摆动时，由于机械结构的独特性，其会自动张开，对水产生较大推力，向鱼尾输送小涡流，这些涡流可以改变鱼尾处的流场，让鱼尾的摆动效率提升，整体鱼身也会运行更加平稳。最后是重心改变机构，此机构可以在鱼体运行时将重心前移，促使鱼身向下潜，也可以控制重心向后，让鱼体向上浮。至此，机器鱼能在水体中实现基本的运动。

机器鱼制作完毕之后进行下水测试，刚开始由于内部结构重心不在中心线上，老是出现侧翻现象，经过平衡之后机器鱼运行平稳，前进速度可以达到15cm/s，主要归功于鱼尾两个舵机的良好配合以及胸鳍产生涡流的助力。与此同时，机器鱼在转弯功能的实现上效果也非常灵敏，通过相关代码的编写，机器鱼可以靠直行和转弯的配合去通过很多水下狭长场景，将来在水下探索和救援方面具有很好的前景。由于内部结构的设计，机器鱼的浮力大，可以搭载非常多的外设，我们实验过水深探测器，水下摄像头，水下照明灯，红外传感器等，可以实现多种功能。机器鱼在水下摄影方面加载了用于保证稳定的云台，使得水下拍摄的鱼群等景色非常清晰稳定，加上鱼体本身的仿生设计，容易融入鱼群进行近距离拍摄，有利于水下跟踪鱼群。

在“海洋精灵”项目进行期间，我深深感受到了课堂上所学的“可靠性”这个概念。机器鱼是需要防水处理的，防水需要一个密封的装置，也就是鱼壳，这样才能把电控元件，电池等不能接触水的物品包裹在鱼身体内部。可是装完之后如果内部电路出问题，就需要一点一点地拆，当初装的时候有多卖力，需要拆的时候就有多费力，因此大家都在心中默默祈祷电路别出问题，毕竟谁也不想拆开鱼壳。

最恼火的一次是装之前都好好的，装完之后仿生鱼却不动了，前后试了三次，每一次都这样，团队成员都感到很崩溃。后来仔细审查电路才发现当把鱼壳用螺丝钉紧固的時候，内部空间会发生比较大程度的挤压，其中一根信号线的金属部分受到挤压接触到了接地排针上，导致舵机的信号端收到的信号始终是零，所以才没有反应。为此，我们把信号线牢牢焊在一起，这才解决了问题。

做科研时还遇见了很多哭笑不得的事。比如说同一电路中元器件的地线接在一起是基本的电路知识，我和小组成员徐云飞自信满满接好电路之后完全忘记了这一点，结果元器件毫无反应。一旁的同学调侃道：“这么基本的东西都忘了，真是考试啥都会，动手全白费。”说完大家哈哈大笑起来。是啊，纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行，在实践中才能真正掌握专业知识。

在比赛前期，出现了各种各样的问题，我前前后后拆开又重装了十次左右，玻璃胶用完了好几瓶。在决赛前一天晚上电路又出问题了，我忙到凌晨才把电路焊牢固。

最终，我们顺利完成了线上答辩，项目也获得了北京市一等奖。

责任编辑：宋明晏