“海洋精靈”制作記

楊正鋮

大三時，學校開設了《單片機原理及應用》課程，郭巖寶教授對單片機理論的剖析以及實驗動手環節為我打開了自動控制的大門，我欣喜地發現這門技術可以控制眾多硬件設備，昔日里我腦中的許多夢想有了實際落地的可能。也是在這一年，我參加了全國大學生節能減排大賽，設計了一個閥門控制電路用于項目之中。最終，該項目獲得了國家三等獎。

2021年11月，我了解到有個機械創新設計大賽，大賽分為“仿生機械”和“自然修復”兩個主賽道，“仿生機械”深深吸引了我，我決定以此為未來的研究方向。

經過一番調研之后，我發現水下機器人是一個絕佳的方向。我分析了一下，有兩個原因：其一是水下機器人市場尚未飽和，目前市場上的產品并不算多，容易做出不一樣的產品；其二是目前市場上的水下機器人外形都不仿生，不便靠近魚群，既然大賽的主題是仿生，我們便可以順理成章地做一個水下仿生機器人。

說干就干，團隊找到了郭老師做指導老師，老師說鲹科魚類可以成為一個很好的仿生對象。初步方案設計完成之后，我們確立了項目的名稱：“‘海洋精靈’——仿鲹科魚類的水下攝影魚”。

一個好的想法只是萬里長征的第一步，真正的考驗才剛剛開始。在整體方案設計完成后，機械制造是一道難關。舉例來說，剛開始加工的魚殼尺寸偏小，內部的骨架偏大，小組成員竇嘉琳和武煜晰建議通過銼刀去磨內部的骨架，希望把尺寸減下去。內部骨架的材料是亞克力板，我們在師兄的實驗室里找到了一把電動銼刀，但噪聲太大，只能在廁所加工。環境艱苦，但為了做好仿生魚，我們都堅持著，花了幾個小時的時間，終于磨出了合適的尺寸。

我們設計的“仿鲹科魚類機器魚”在外形設計，運動方式均是仿照鲹科魚類來進行設計的。首先是尾鰭的設計，采用兩個舵機來模擬鲹科魚類的尾部運動，其作為推進的主要力量。然后是胸鰭設計，這是非常重要的一點，以往的機器魚設計均沒有很好地模擬出胸鰭的真實運動狀態，我們采用舵機加齒輪組的形式控制胸鰭魚片，其向前擺動時可以自動閉合，對水阻力很小；當向后擺動時，由于機械結構的獨特性，其會自動張開，對水產生較大推力，向魚尾輸送小渦流，這些渦流可以改變魚尾處的流場，讓魚尾的擺動效率提升，整體魚身也會運行更加平穩。最后是重心改變機構，此機構可以在魚體運行時將重心前移，促使魚身向下潛，也可以控制重心向后，讓魚體向上浮。至此，機器魚能在水體中實現基本的運動。

機器魚制作完畢之后進行下水測試，剛開始由于內部結構重心不在中心線上，老是出現側翻現象，經過平衡之后機器魚運行平穩，前進速度可以達到15cm/s，主要歸功于魚尾兩個舵機的良好配合以及胸鰭產生渦流的助力。與此同時，機器魚在轉彎功能的實現上效果也非常靈敏，通過相關代碼的編寫，機器魚可以靠直行和轉彎的配合去通過很多水下狹長場景，將來在水下探索和救援方面具有很好的前景。由于內部結構的設計，機器魚的浮力大，可以搭載非常多的外設，我們實驗過水深探測器，水下攝像頭，水下照明燈，紅外傳感器等，可以實現多種功能。機器魚在水下攝影方面加載了用于保證穩定的云臺，使得水下拍攝的魚群等景色非常清晰穩定，加上魚體本身的仿生設計，容易融入魚群進行近距離拍攝，有利于水下跟蹤魚群。

在“海洋精靈”項目進行期間，我深深感受到了課堂上所學的“可靠性”這個概念。機器魚是需要防水處理的，防水需要一個密封的裝置，也就是魚殼，這樣才能把電控元件，電池等不能接觸水的物品包裹在魚身體內部。可是裝完之后如果內部電路出問題，就需要一點一點地拆，當初裝的時候有多賣力，需要拆的時候就有多費力，因此大家都在心中默默祈禱電路別出問題，畢竟誰也不想拆開魚殼。

最惱火的一次是裝之前都好好的，裝完之后仿生魚卻不動了，前后試了三次，每一次都這樣，團隊成員都感到很崩潰。后來仔細審查電路才發現當把魚殼用螺絲釘緊固的時候，內部空間會發生比較大程度的擠壓，其中一根信號線的金屬部分受到擠壓接觸到了接地排針上，導致舵機的信號端收到的信號始終是零，所以才沒有反應。為此，我們把信號線牢牢焊在一起，這才解決了問題。

做科研時還遇見了很多哭笑不得的事。比如說同一電路中元器件的地線接在一起是基本的電路知識，我和小組成員徐云飛自信滿滿接好電路之后完全忘記了這一點，結果元器件毫無反應。一旁的同學調侃道：“這么基本的東西都忘了，真是考試啥都會，動手全白費。”說完大家哈哈大笑起來。是啊，紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行，在實踐中才能真正掌握專業知識。

在比賽前期，出現了各種各樣的問題，我前前后后拆開又重裝了十次左右，玻璃膠用完了好幾瓶。在決賽前一天晚上電路又出問題了，我忙到凌晨才把電路焊牢固。

最終，我們順利完成了線上答辯，項目也獲得了北京市一等獎。

責任編輯：宋明晏