水下仿生機(jī)器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

郝欣愷

摘 要：為了探討與分析水下仿生機(jī)器人未來的發(fā)展方向和發(fā)展趨勢(shì)，本文對(duì)國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)水下仿生機(jī)器人的研究成果進(jìn)行分析與總結(jié)。本文對(duì)水下仿生機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用情況進(jìn)行分析，并探討了未來水下仿生機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)。研究結(jié)果表明，本文分析的水下仿生機(jī)器人未來發(fā)展方向和發(fā)展趨勢(shì)具有可信度，能夠給其他研究關(guān)于水下仿生機(jī)器人的研究學(xué)者提供參考。

關(guān)鍵詞：水下仿生機(jī)器人;研究現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢(shì)

1.前言

浩瀚無邊的海洋不僅僅涵蓋著人類文明的精神寶藏，也蘊(yùn)含著豐富的自然財(cái)富，比如，海洋生物、海底礦產(chǎn)等。隨著，人類科學(xué)文明的不斷進(jìn)步，人類研究并開發(fā)了水下機(jī)器人，其成為了人類探索深海奧秘和挖掘海洋寶藏的重要工具，更是人類從事海洋實(shí)踐活動(dòng)不可缺少的主要工具。

水下仿生機(jī)器人，指的是采用各種信息科學(xué)技術(shù)，比如，人工智能技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)、微電子技術(shù)等，其模仿了海洋運(yùn)動(dòng)生物的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，是一種運(yùn)動(dòng)裝置。

2.水下仿生機(jī)器人的研究現(xiàn)狀

上個(gè)世紀(jì)末，人類第一次研究并制作出以金槍魚為仿生對(duì)象的水下機(jī)器人，此后，仿生水下機(jī)器人成為了學(xué)術(shù)界的熱門研究課題，并探討其在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用，比如，水質(zhì)檢測(cè)、軍事偵察、教育娛樂和探測(cè)避障，如圖1。

2.1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)

2012年，歐洲研究人員觀測(cè)到魚群協(xié)調(diào)配合的現(xiàn)象，他們以金槍魚作為仿生對(duì)象進(jìn)行了SHOAL項(xiàng)目，研發(fā)了多條體長(zhǎng)為1.5m的仿生機(jī)器魚并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明，SHOAL項(xiàng)目研發(fā)的仿生機(jī)器魚能夠擴(kuò)大水質(zhì)檢測(cè)范圍[1]。

2014年，美國(guó)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)共同研發(fā)了一款水下滑翔機(jī)器魚，并將這款機(jī)器魚取名為“Grace”，這款機(jī)器魚區(qū)別于傳統(tǒng)仿生機(jī)器魚，其具有優(yōu)秀的滑翔功能，能夠節(jié)省能量增大水質(zhì)檢測(cè)的作業(yè)范圍，同時(shí)，“Grace”被放入密歇根州鹿蹄草湖進(jìn)行了水質(zhì)樣本采集實(shí)驗(yàn)和水質(zhì)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，該機(jī)器魚能夠在節(jié)約能源的基礎(chǔ)上擴(kuò)大水質(zhì)檢測(cè)范圍。

2.2 軍事偵察

2014年，美國(guó)海軍與波士頓動(dòng)力聯(lián)合研究與開發(fā)了一款仿生水下機(jī)器人，他們以金槍魚作為仿生對(duì)象，將其命名為“Silent Nemo”，該仿生水下機(jī)器人體長(zhǎng)1.5m，重量約為45kg，其前進(jìn)的動(dòng)力主要依靠身體關(guān)節(jié)和尾鰭的擺動(dòng)，并能夠靈活地調(diào)整前進(jìn)方向[2]。

2.3 教育娛樂

2008年，韓國(guó)全南大學(xué)研究與制作了一款面向娛樂的仿生機(jī)器人，該款機(jī)器人以海豚作為仿生對(duì)象，該仿生機(jī)器人具有多重功能，其不僅僅能夠張開嘴部和閉合嘴部，其還能夠通過尾部擺動(dòng)來濺起水花，并具有噴水功能，能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)互動(dòng)。

2009年，中國(guó)科學(xué)院研究與開發(fā)了一款小型仿生水下機(jī)器人，其以海豚作為仿生對(duì)象，其目的在于面向大眾科普知識(shí)與娛樂，該機(jī)器屬于小型仿生水下機(jī)器人，體長(zhǎng)僅為0.56m，尾部主要有兩個(gè)部分構(gòu)成，分別是俯仰關(guān)節(jié)和偏航關(guān)節(jié)，該機(jī)器海豚的頭部?jī)?nèi)置重心調(diào)節(jié)設(shè)備，能夠科學(xué)高效地實(shí)現(xiàn)浮潛運(yùn)動(dòng)，此外，該機(jī)器海豚所在的水池邊裝有上位機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)該仿生水下機(jī)器人與游客進(jìn)行互動(dòng)。

2.4 探測(cè)避障

2015年，臺(tái)灣學(xué)者Yung-Lien Wan設(shè)計(jì)并研發(fā)了一款新穎的仿生機(jī)器人，其以海豚作為仿生對(duì)象，具有自主運(yùn)動(dòng)功能。這款仿生機(jī)器人的尾部分為兩個(gè)部分，分別是俯仰關(guān)節(jié)與偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，前者能夠控制仿生機(jī)器人的前進(jìn)快慢，而后者能夠控制仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向。此外，該款仿生機(jī)器人還能夠自主進(jìn)行浮潛運(yùn)動(dòng)，其主要依靠改變?cè)摍C(jī)器人的重心，從而實(shí)現(xiàn)海豚俯仰角的改變。同時(shí)，該款仿生機(jī)器人還能夠捕捉實(shí)時(shí)圖像，若運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法，就能夠?qū)υ摲律鷻C(jī)器人捕捉到的圖像信息進(jìn)行分析與處理，從而了解實(shí)時(shí)情況，進(jìn)而躲避障礙物，因此，該仿生機(jī)器人還具有避障功能。

3.水下仿生機(jī)器人研究方向與發(fā)展趨勢(shì)

水下機(jī)器人已經(jīng)能夠模仿水中生物的形態(tài)、動(dòng)作和功能，并具有多重優(yōu)點(diǎn)，比如，靈活性強(qiáng)、環(huán)保性高、能量利用率高，同時(shí)，本文根據(jù)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)水下仿生機(jī)器人的分析與研究，探討水下仿生機(jī)器人研究方向與發(fā)展趨勢(shì)。

3.1 水下仿生機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置優(yōu)化

目前，大部分的仿生機(jī)器人都是采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，水下方式機(jī)器人也是如此，但是，隨著科學(xué)技術(shù)水平不斷提高，各種新型智能材料開始被運(yùn)用到人們的生產(chǎn)和生活當(dāng)中，比如，形狀記憶合金、壓電陶瓷、人工肌肉等，這些新型智能材料能夠取代傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，還能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)裝置的便捷化和輕量化，同時(shí)還能夠科學(xué)高效地?cái)U(kuò)張有效利用空間。

3.2 水下仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)理完善化

目前，越來越多的專家和研究學(xué)者開始對(duì)深海運(yùn)動(dòng)生物的游動(dòng)機(jī)理進(jìn)行深入分析，并將深海運(yùn)動(dòng)生物的游動(dòng)機(jī)理應(yīng)用到驅(qū)動(dòng)裝置的優(yōu)化策略當(dāng)中，并結(jié)合全新的耐壓機(jī)制，這能夠使得未來的仿生水下機(jī)器人深潛成為可能，也能夠有效地提高水下仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速率，實(shí)現(xiàn)水下仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的靈活性和美觀性[3]。

3.3 水下仿生機(jī)器人智能性提升

隨著信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等也正處于飛速發(fā)展階段，因此，越來越多的研究學(xué)者試圖將這些信息科學(xué)技術(shù)運(yùn)用到水下仿生機(jī)器人領(lǐng)域當(dāng)中，以期水下仿生機(jī)器人的智能性能夠不斷提高，并具備多重智能功能，比如，信息交互能力、環(huán)境感知能力、避障能力等。

3.4 群體水下仿生機(jī)器人的發(fā)展

眾所周知，眾人拾柴火焰高，在海洋里，一條魚的力量也許很微弱，但是一群魚的力量就很強(qiáng)大，當(dāng)魚類聚集在一起時(shí)，能夠表現(xiàn)出強(qiáng)大的群體力量，并發(fā)揮強(qiáng)大的團(tuán)隊(duì)合作精神，具體體現(xiàn)在尋找食物、逃避敵害等方面。同樣地，單個(gè)仿生水下機(jī)器人的活動(dòng)范圍與能力具有局限性，而人類正在嘗試讓仿生水下機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行各種繁雜艱巨的任務(wù)，比如，海洋監(jiān)測(cè)、軍事觀察等，因此，在未來，群體水下仿生機(jī)器人將會(huì)是未來研究發(fā)展的主要趨勢(shì)。

4.結(jié)論

目前，水下仿生機(jī)器人具有多重優(yōu)點(diǎn)，分別是高機(jī)動(dòng)、低擾動(dòng)、無污染、高效性，這也使得水下仿生機(jī)器人在不久的將來將會(huì)成為水下航行器中的一大重要分支，此外，越來越多的研究學(xué)者會(huì)對(duì)水下仿生機(jī)器人進(jìn)行更進(jìn)一步的分析與研究，并探討水下仿生機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1]王揚(yáng)威，王振龍，李健.微小型水下仿生機(jī)器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].微特電機(jī)，2010，38（12）：66-69.

[2]閆勇程，王揚(yáng)威，蘭博文，趙東標(biāo).水下仿生機(jī)器人CPG控制方法研究現(xiàn)狀綜述[J].微特電機(jī)，2017，45（11）：72-77.

[3]王延杰，郝牧宇，張霖，駱敏舟.基于智能驅(qū)動(dòng)材料的水下仿生機(jī)器人發(fā)展綜述[J].水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2019，27（2）：123-133.