北大谢广明教授：“机器鱼”正全面产业化

北京大学有个著名景点——未名湖，有北大校友专门创作了校园民谣《未名湖是个海洋》。在这个“海洋”里，诞生了一款自主创新的“水下特种机器人”——仿生机器鱼。2018年在北京大学120周年校庆的时候，多款仿生机器鱼畅游未名湖，成为校庆的一景。这些机器鱼都来自北京大学智能仿生实验室。

实验室负责人谢广明教授介绍了他们在“智能仿生机器鱼”方面的研究进展。谢广明教授说，水下仿生机器人的研究具有重大意义，应用前景非常广泛。“所谓仿生机器人就是具有生物特征和功能的机器人，我们的主要研究项目是智能仿生机器鱼。水下环境非常复杂，仿生鱼在水下的供能、通信等方面的能力非常有限。我们的目标是研究出机器鱼群，所以既注重单体的研发，也注重群体技术的研发，我们希望机器鱼群可以解决一些实际问题。”

经过近20年的积累，实验室研发了多款水下仿生机器人样机，包括仿鲤鱼、仿海豚，以及一些仿两栖类等，研发的机器鱼先后于2012年和2014年在南极和北极下水成功。

团队研究的仿箱鲀机器鱼很有特色。箱鲀的形状像一个盒子，内部空间大，可以增大有效载荷。箱鲀的外形也很有特点，它内凹的形状看上去很丑陋，其实面对水流冲击有很好的自稳效果。箱鲀主要生活在珊瑚礁中环境较复杂的区域，它可以通过胸鳍和尾鳍组合拍动来灵活的运动，研究团队觉得它在稳定性和灵活性方面达到了完美的平衡，是很好的仿生对象。

团队完成的样机包含一对独立驱动的胸鳍和一个尾鳍，它们相互配合让机器鱼可以像真鱼一样游动，前进、后退、上潜、下伏，还可以前滚翻、后滚翻、以及横滚等复杂的三维空间动作，具有很好的机动性。

除了运动仿生研究，研究团队还要关注感知仿生研究，提升机器鱼的水下感知能力。生物学家指出鱼类有一类特有的水下感知器官——侧线系统，让鱼可以充分感知周围水流变化，适应水中生活。团队为机器鱼研制了人工侧线系统来感知环境信息。比如仿生鱼通过侧线可以估算仿生鱼相对于水体的速度，还可以通过侧线系统来感知与伙伴的位置关系，比如前面一条鱼在游动，后面的鱼通过侧线系统来感知前后距离、左右距离以及两条鱼之间的夹角等。

水下通信一直是水下机器人发展应用的瓶颈问题，研究团队为此开展了通信仿生研究。生物界有一种弱电鱼，可以调整身体的机能，让自己身体周围形成一个电场，这个电场是变化的，可以把信号加载上去来传递给它的伙伴。参照这种鱼的特点，团队开始建立模型，并进行理论分析，设计相应的电路系统，给仿生鱼安装发射电极和接收电极，最终成功实现了仿生机器鱼的新水下通信方式。

谢广明教授介绍说，要做“仿生研究”，基本思想就是向大自然学习，以大自然为老师，对于一些比较好的生物特性，要尝试用于仿生机器人。个体仿生主要是实现高机动性、高效率的运动；而通过通信组网，研发人员可以实现“群体仿生”。想像这样一个应用场景：派成百上千成本低廉的机器鱼一起下水去搜索失事飞机，这成百上千的机器鱼，就很有可能完成这种“大海捞针”的任务。“我们在北大未名湖测试过我们的仿生鱼，当机器鱼在水里游时，真鱼会被吸引跟在后面，机器鱼对真鱼的活动产生了影响。这是一个很有意思的现象，将来或许可以研究用仿生机器人去影响自然界，构成一种机器和生命的混合系统，达到一种道法自然的境界。”

水下仿生机器鱼的潜在应用非常广泛，可以概括为水下的机器换人。凡是现在人类所涉及到的各种水下作业，以后都可以被机器替换。例如环保监测，水产养殖，船体清洁，大坝桥墩检测维修，水下采油采矿等，包括军事国防方面。特别的，不仅是机器换人，还可能会有“机器换动物”，一些涉及到水下生物的娱乐休闲活动，也可以考虑让机器代替动物，让动物回归自然。今后的海洋可能会生活着各种各样的仿生机器人，构成一种新的生态系统。

2015年，谢老师的博士生熊明磊，基于实验室的研究积累，联合一批由博士、硕士组成的研发团队，创办了博雅工道（北京）机器人科技有限公司。公司的业务重点，就是从事水中机器人及自动化设备研发、机器人技术培训及服务等工作。目前，已研发多款拥有独立知识产权的水中机器人，并且拥有国际、国内专利40余项。公司与北京大学等高校积极开展产学研合作，为公司的产品开发和市场推广，提供了有力的技术支持。从公司的网站上可以看到，公司的核心产品有水中无人机、仿生机器鱼、仿生机器鲨鱼、水中救生机器人、水质监测及污染治理机器人、船舶外伤监测机器人等。