遨遊吧，我的機器魚

最新 03-22

在水裡，生活著各種各樣的魚，有細細長長的魚，也圓圓滾滾的魚，有絢麗色彩的魚，也有渾身漆黑的魚……今天我們要介紹的，不是這些「真魚」，而是仿生機器魚。

中國科學院自動化研究所致力於仿生機器魚的研究已經有多年的歷史了，目前以水生生物為仿生對象搭建了多種仿生平台，比如仿生機器魚、機器水母、機器海豚等等。

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這在水池裡游的就是自動化所的機器狗魚，它是仿照北美狗魚來設計的，「真身」如圖1所示。圖2是它的「解剖圖」，從圖上我們可以看到，魚頭是扁平的，這是為了降低遊動過程中受到的阻力。

圖1 仿生機器狗魚樣機

圖2 仿生機器狗魚機械圖

魚的體內包含4個舵機，採用4關節鏈式機構鏈接而成。當身體擺動時，與水相互作用，從而產生向前的推力，機器魚就能輕鬆的暢遊。機器魚在身體兩側安裝有兩個靈活的胸鰭，通過胸鰭的配合實現上浮、下潛、橫滾等高難度動作。

讓我們來看看這條機器魚都有什麼本領吧！

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可以「上下遊動」

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也可以「左右擺動」

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還能上下左右自由遊動

機器魚的魚皮是由兩段乳膠製作的黑色蒙皮，將魚身舒舒服服地包裹起來，能防水並且很好地保護了內部結構。但是，這樣的設計限制了它的下潛能力。每下潛10米，就有1個標準大氣壓的壓力作用在狗魚身上，要是包裹不牢固，密封處就很容易開裂。

應該想出更好的辦法來解決這個問題。因此，在後期科研人員設計仿生機器海豚的時候，就採用了聚甲醛工程塑料（POM）製成硬性「魚皮」，這樣就增強了耐壓能力。通過耐壓測試，新設計的仿生機器海豚可實現水下300米的抗壓能力。

而且，仿生機器海豚以虎鯨為仿生對象，可以採用上下拍動的方式進行遊動，它那胖胖的身軀為我們安放電子元器件提供了很好的空間。

靈感從何而來？「師法自然」

仿生機器魚設計得如此逼真，游得如此愜意，真的是很厲害了，但是科學家為什麼要設計這些仿生魚呢？

我們知道，隨著對海洋資源的開發與利用，大型船舶、無人水下航行器等相繼推陳出新。然而，我們不難發現，這種以螺旋槳推進的航行器有很多的缺點，比如說，能量有效利用率低，有數據顯示，主力船型船舶能量有效利用率僅為32%；機動性能差，一般船舶須以3-5倍體長的半徑緩慢地轉向；還有就是隱蔽性差，螺旋槳推進時產生很大的雜訊，很容易被水下聲吶探測到，暴露目標。

現在我們常說要「師法自然」，自然界是我們最好的老師，因此，科學家們到海洋中、到魚類中去尋找解決問題的方法。

海洋中的魚類進化出了超凡的運動能力，比如金槍魚，一生中不停地持續高速游泳，它的時速為每小時30-50公里，能實現數千公里的長途巡遊。魚類機動靈活，可實現高速轉向甚至原地轉向，還有高達80%的推進效率。

這些特點為科學家們設計新型的水下航行器提供了很好的思路，仿生機器魚也就應運而生。

水質監測、水下抓取、水下考古……仿生機器魚能做的還會更多

仿生機器魚小巧、靈活，更適合在狹窄、複雜和動態的水下環境中進行監測、搜索、勘探、救援等作業，可應用於水生生物的觀察、水下抓取、水下考古等方面。

2016年9月，自動化所自主研發的面向水質檢測的仿生機器海豚，在青海省玉樹市禪古水庫成功開展了野外水質檢測實驗，實時獲取了三江源頭的水質信息。這套面向水質監測的仿生機器海豚系統，具有監測效率高、監測範圍廣、對待測水域無污染等優點。

這項基於機器海豚的動態水質監測實驗，不僅可為三江源水源保護提供數據基礎，而且為動態自主水質監測提供了新的技術手段。