靈感來自海灘上的彈涂魚

陳彥希 王佳佳

退潮時，廈門的沙坡尾海灘上常常可以看到一些黑乎乎的、爬來爬去，還不停跳躍的魚，那就是彈涂魚。

彈涂魚不僅可以在岸上爬，還能在水里游，這種兩棲的特點吸引了廈門大學海洋與地球學院的張宇教授，并讓他產生了發明“兩棲機器人”的想法。

經過長時間設計研發，這一想法終于成真。不久前，張宇團隊及其合作者研發的“仿生彈涂魚兩棲機器人（MIARF）”終于亮相。

實地測試證明，該機器人能夠根據水陸兩種不同的運動環境，采用不同的運動模式——通過胸鰭-尾鰭的協調作用，實現陸地及水下復雜環境中的高能量效率與高機動性。近日，相關成果發表于Cell旗下期刊《Cell?Reports?Physical?Science》。

專門研究魚的團隊

實際上，這不是張宇團隊第一次研究仿生機器魚了。在此之前，團隊就曾開展過許多關于仿生魚的研究——仿生鯊魚、仿生刀魚、仿生金槍魚、仿生水母

為什么要研究仿生魚？海洋約占地球表面積的71%，但對于人類來說，約95%的海洋是未知的。因此，認識海洋、探測海洋成為一個迫切的問題。而仿生機器人作為認識和探測海洋的前沿載體技術，起著重要作用。相比起人，機器人更適合在復雜和缺氧的水下環境進行大量探測。

傳統的工業機器人一般通過螺旋槳驅動或空輪式驅動，機動性較差，在狹小的空間內，傳統工業機器人無法有效工作。而真實的生物，比如魚類，可以在遠小于自身身體大小的空間里有效轉向，這對于研究在復雜空間內作業的仿生機器人有重要借鑒意義。

兩棲機器人既能入水，又可上地，靈活適應環境，能夠完成需要跨介質的環境監測、搜索救援等工作。但由于技術原因，大部分的兩棲機器人難以實現有效的兩極切換，且尺寸笨重、噪聲較大、運動效率低下、隱蔽性不強。于是，張宇團隊基于彈涂魚的生物靈感，設計了一款具有較高運動效率和環境適應性的機器魚。

仿生彈涂魚，銀獎！

這項頗具創新點的課題，最早要追溯到2019年的一次比賽。

在往年的國際水中機器人大賽（現國際先進機器人及仿真技術大賽）中，廈門大學海洋與地球學院就曾用仿生鯊魚拿下過金獎。2019年，張宇帶領學生團隊參賽時，他們犯了難——這一次做什么“魚”好呢？張宇靈光一閃，給項目成員提了一個特別的建議：“我們這次做彈涂魚！”

那么，如何用機器模仿彈涂魚的兩棲行為呢？

實際上，彈涂魚能在陸地上運動，它發達的胸鰭“功不可沒”。在地面上活動時，彈涂魚的胸鰭就像兩根拐杖，它會先伸出“拐杖”支撐起身體，然后迅速地把身體拖向前去。如此反復，宛如一個使用雙拐行走的人。而在水下，彈涂魚則使用尾鰭和身體的擺動來完成游動。

當時的項目成員采用多舵機驅動的方式，用多個舵機實現胸鰭的爬行，一個舵機實現尾部的擺動，簡單地將兩種功能組合在了一起。這個項目最終獲得了該比賽的銀獎，但在張宇眼中，它的潛力遠不止于此。但由于當時缺乏合適的人才，仿生彈涂魚這個點子，就此沉寂了下去。

仿生彈涂魚，再生！

事情在2021年迎來了轉機。

張宇說：“從科創到形成真正意義上的科研突破，需要有針對性地研究問題。比如要研究材料、控制或是流體，如何從一個現象中去提取規律，這都要找到合適的人。”

而對仿生機器人有濃厚興趣、本科學習過程裝備與控制工程專業的研究生鄭煒，以及從事流體力學研究的博士后林中路等同學就是張宇口中“合適的人”。他們加入后，一個由本科生、碩博士生、博士后組成的團隊漸成規模，仿生彈涂魚的項目又開始了“新生之路”。

如何把本科大創（全稱為“大學生創新創業訓練計劃項目”）的仿生彈涂魚這樣的研究雛形，改造為更加成熟、更具應用價值的科研成果呢？

首先，要將仿生彈涂魚的兩棲功能有機地組合起來，充分發揮胸鰭和尾鰭的協調作用，而不僅僅是簡單拼湊。

通過長時間觀察以及查閱大量文獻，團隊成員發現，雖然彈涂魚主要依靠胸鰭在陸地上運動，但它的尾鰭也起到了重要的協調作用。尾鰭通過對地面的摩擦，使彈涂魚可以很好地轉向。于是，項目組將胸鰭和尾鰭的運動有效地協調起來，從而大大減小了機器魚的轉向半徑，提高了轉向速度。

而在水下，胸鰭發揮了穩定平衡和浮潛的作用。胸鰭就像飛機的機翼，當胸鰭向上折，彈涂魚就可以往下沉；而當胸鰭向下折，彈涂魚就能浮起來。基于此，團隊成員進一步完善了仿生機器魚在水下的運動。

此外，優化彈涂魚模型的過程，還涉及胸鰭材料選取、流體力學設計等問題

經過團隊成員的不斷修改和打磨，最終，仿生彈涂魚具有了高機動性和環境適應性，其陸地和水下運動的最小運輸成本分別為4.56和2.02，優于許多現有的兩棲和單模態機器人。

其實，團隊的很多科研靈感，最初都來源于一個本科生俱樂部。2016年，張宇帶領一群熱愛海洋仿生的學生，建立了水下探測機器人創新俱樂部。他們從自然界中提煉有意思的現象，挖掘出機制上的創新點，通過科學的方法將其運用到實際中。幾年來，俱樂部成員拿下過多次國際先進機器人及仿真技術大賽的獎項，一些同學本科畢業后，又進入了張宇的團隊讀研，繼續致力于水下機器人的研究

“仿生彈涂魚這類的兩棲機器人研究，在國內乃至世界范圍內都不算成熟，我們也是摸著石頭過河。在科研中，只有廣泛地去研究，才能有不一樣的結果。”鄭煒說。

未來，張宇團隊希望通過進一步研究，使仿生彈涂魚在環境探測、生態保護等方面實現大規模、低功耗、網絡化的應用。

責任編輯：丁莉莎