淺談仿生水下機器人的發展現狀

劉珍娜,秦婧文

（山東勞動職業技術學院,濟南 250022）

淺談仿生水下機器人的發展現狀

劉珍娜,秦婧文

（山東勞動職業技術學院,濟南 250022）

仿生水下機器人以水生生物為仿生對象，模仿其外部形態和運動步態而新興的水下機器人，本文淺析了近幾年仿生水下機器人在不同領域的研究現狀以后未來的研究熱點，為其愛好者提供了解契機。

仿生；水下機器人；發展現狀

1 研究背景及意義

海洋孕育了人類文明同時蘊藏著豐富的自然資源，如海洋生物、海底礦產等。同時，海洋也是重要的交通運輸通道和軍事戰略空間。未來的世紀是海洋的世紀，黨中央、國務院提出了“逐步把我國建設成為海洋經濟強國”的宏偉目標，“提高海洋資源開發能力，發展海洋經濟”亟需強大的水下科技支撐。水下機器人作為探索和開發海洋的主要載體成為人類從事海洋活動不可或缺的工具。

目前的水下機器人主要分為有纜水下機器人（Remote Operated Vehicle，簡稱ROV）和無纜水下機器人，也稱自主式水下機器人（Autonomous Underwater Vehicle，簡稱AUV）。由于常規水下機器人以螺旋槳和葉輪為推進器，采用常規能源作為動力，存在機動性差、響應滯后對水生環境擾動大等缺點，極大限制了其在狹窄、動態、復雜、脆弱環境中的應用。

經過上億年的進化，魚類、鯨豚類等水生生物已經演變具有高超的水中運動能力，其游動效率、機動性、穩定性等能遠超現有的航行器，如鲹科魚類的推進效率超過90%，海豚可以實現450°/s的高速轉向且其轉彎半徑僅為體長的11-17%，鰩科魚類通過改變鰭面波從而完成在復雜水環境下的高超雜技動作。水生生物特殊的生理構造和推進機理為新一代高性能水下航行器的研制提供靈感。。

2 研究現狀

仿生水下機器人是指利用機械設計技術、微電子技術、材料科學以及人工智能技術等仿照水下生物的外部形態及游動步態而實現水下推進的一種運動裝置。美國 MIT 于1994年成功研制出世界上第一條真正意義的仿生金槍魚，此后的20多年間，越來越多的科研機構對仿生水下機器人進行關注和研究。本文主要關注仿生水下機器人的應用現狀。

2.1 水質檢測

受魚群協調配合的啟發，歐洲多家科研機構于2012年開展了SHOAL項目，以金槍魚為仿生對象，研制了多條體長為1.5m的仿生機器魚，利用機器魚群的協調配合增大水質監測的范圍，并且在西班牙的港口進行了試驗。

美國馬里蘭大學帕克分校和密歇根州立大學于2014年聯合開發了一款水下滑翔機器魚“Grace”，該機器魚在傳統仿生機器魚的基礎上增加了滑翔功能，機體內置有泵和儲水腔來改變整體凈浮力并通過尾鰭調節偏航角或產生螺旋運動，從而更加節省能量增加其作業范圍，并在密歇根州鹿蹄草湖進行了水質樣本的采集應用實驗。

2.2 軍事偵察

美國海軍與波士頓動力于2014年合作研發了一款以金槍魚為仿生對象的仿生水下機器人“Silent Nemo”，該機器人體長1.5 m，重約

45 kg，依靠身體尾關節和尾鰭的擺動產生前進動力和實現機動轉向，配置聲吶等多種傳感設備可自主對敵方目標進行監視與偵察。

2.3 教育娛樂

韓國全南大學 Shin 等人于2008年研制了一款面向娛樂的仿生機器海豚。該機器海豚可實現嘴部張開與閉合、尾巴濺水以及噴水等人機互動功能。

中國科學院自動化研究所是國內最早開展仿生水下機器人研究的科研院所之一。2009年，汪明等人研發了一款面向科普演示的小型機器海豚，該機器海豚體長0.56 m，尾部由三個俯仰關節和一個偏航關節構成，頭部裝有用于實現浮潛運動的重心調節機構， 通過水池邊的上位機控制機器海豚與游客互動。

2.4 探測避障

臺灣國立高雄海洋大學Yung-Lien Wan于2015年設計一條可實現自主運動的機器海豚，該機器海豚的尾部分為3個俯仰關節和一個偏轉關節，分別控制機器海豚的前進速度和運動方向，通過改變重心來調整海豚的俯仰角實現上浮下潛運動，機器海豚前端安裝有攝像頭，通過神經網絡學習算法處理獲取的圖像信息，實現避障功能。

3 小結

仿生水下機器人以及高機動、低擾動、無污染和高效的推進效率將成為未來水下航行器的發展方向并將滲透到各個水下應用領域。然而，目前的仿生水下機器人還是以電機驅動為主，這決定了其剛性的身體機構，如何采用柔性材料比如用離子聚合物金屬復合材料、形狀記憶合金（SMA）和人工肌肉等構造軟體機器人達到外形、游動方式與真正的水生生物相似，并且能滿足應用需求是以后研究的重點與難點。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.01.180

劉珍娜（1987-）,女,山東巨野人,碩士研究生,初級職稱,教師,研究方向：機器人。