仿生鱼研究取得新突破

随着科技的深入发展和产业领域应用需求的拉动，仿生机器学（Biomimetics）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。自2001年来，中科院自动化研究所先进机器人与制造系统团队聚焦水下仿生领域，从最初的跟踪模仿到如今的别具特色，研究小组已在机器人学的顶级国际期刊IEEE Transactions on Robotics和IEEE Robotics and Automation Magazine上发表多篇文章，在国际仿生机器鱼领域占有重要的一席之地。鱼类经过长期进化形成的高效率、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一直以来都是多学科交叉研究的热点。仿生机器鱼，即参照鱼类（包括鲸豚类）游动的推进机理，利用机械电子元器件或智能材料来实现水下推进的一种运动装置。一般认为，自然界中鱼类的游动方式可分为两类：BCF（靠身体和(或)尾鳍）模式和MPF（靠身体中部的胸鳍）模式。自动化所科研人员基于这两大模式，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。在高机动控制研究方面，机动运动是指为了某一特定目的而执行的运动方向和位置的改变。鱼类典型的机动运动包括快速起动、运动中变速和转向、倒游、悬停、制动等。由于鱼类瞬时的机动运动的持续时间往往只有数毫秒，其实验很难设计、重复和校验。但鱼类展示的这些机动行为，不仅是实现捕食和逃避敌害等生存活动的关键技能，而且在复杂水域的避障、航向校正中起着重要作用。更为突出的是，鱼类在实现高机动运动的同时，也可以保持高稳定性。通过对真实鱼类C形起动过程的细致观察，自动化所科研人员提出“基于虚拟C形管道的动态轨迹法”来实现仿鱼高机动运动。该方法使机器鱼在打开身体的过程中，如同滑过一个C形的弯曲管道一般，从头部到尾部，各个关节逐次打开身体。这不但使机器鱼获得了快速打开身体的能力，同时增强了向前推进鱼体加速的能力。最重要的是，实现了快速机动中的精确定向能力。将该方法应用于研制的仿生机器鱼，实现了480º/s的平均转向角速度和约670º/s的峰值角速度，远高于现有文献中报道的机器鱼转向的平均角速度（<120º/s）。此外，自动化所研究人员将动态轨迹法应用于机器海豚的俯仰控制，在国际上首次实现了机器海豚前滚翻、后滚翻等机动运动，验证了生物学家N. K. Maslov关于“海豚的俯仰机动性能高于其偏航机动性能”的观点。在高游速研究方面，当海洋生物的速度超过某一阈值，便能够以动能换取势能，从水中冲向空中，这种跨介质运动称为跃水。跃水运动是海洋生物高效机动行为的集中体现，也是水下仿生学研究的理想目标之一。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，具有比其它鱼类更小的跃水门限速度。同时，海豚也拥有不逊于鱼类的游速，所以高游速仿生机器鱼的设计目标便明确为一条可以跃出水面的机器海豚。根据已有的经验与重复试验，机器鱼研究小组在减重、减阻、动力、算法等诸多方面进行了技术攻关，提出了基于攻角的机器海豚快速游动控制算法，并根据该方法的需求，使用轻质材料设计了新的以高游速为目标的机器海豚本体。在攻角推进算法的基础上，提出了适合使用两自由度胸鳍的转（定）向算法，实现了机器海豚的偏航控制。在较高游速的基础上，又进一步实验了跃水动作。实验中，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。（来源：中科院自动化研究所）
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