我们发明了一群比朝阳群众还热心的……朝阳鱼众？| 谢广明_

2022年11月13日，由中共北京市朝阳区委组织部、北京市朝阳区科学技术协会主办，果壳承办的“朝阳科学荟”活动成功举办。北京大学教授，博士生导师谢广明带来演讲：《水下生态环保，智能机器鱼有办法》。

大家都希望一出门就处在一个碧水蓝天的环境。现在环境能这么好，其实是工人们在默默服务，比如说水质很好的话，我们能开心的去公园玩；下大雨时，水能很快散去，不会影响交通。这些都是后面有人辛苦付出，于是我们就希望借助一些新技术，让事情更好地解决。

讲之前我们先看一个小视频。

高仿真机器鱼 | 谢广明团队提供

这是我们实验室养的一条鱼，这不是一条真鱼，这是我们仿造金龙鱼做的一条机器鱼，它可以像鱼一样在水里游动。我们希望以后在朝阳区的各种水域中，不管是天然的，还是地下管道，机器鱼都可以做很多事情。

这个技术就是广义机器人的范畴，只不过它的限定应用领域是水下。另外它叫机器鱼，属于仿生机器人的范畴。仿生机器人就是模仿自然界各种各样的生物，让它能够去行动、去感知、去做事情，所以说它也属于机器人，只不过应用到水里面。

那么，为什么要做仿生水下机器人呢？其实有很多方面的实际需求，大家知道工厂里有机器人来造汽车，公共场所和家里有扫地机器人，在水下环境更恶劣的情况下，更需要机器人去代替人。

举几个例子，比如现在水质监测管得很严，都是靠人划个小船去测水质，不但不方便，而且效率低，以后我们可以派机器鱼过去。再比如说，因为暴雨许多管道堵塞了，疏通也很危险，也可以派机器鱼去完成。在大江大海上抓捕水产品的时候，我们也可以不用派人下去了。特别是很多人喜欢吃的海鲜，海参、鲍鱼这些海产，其实人工捕捞非常辛苦，以后我们就可以派机器鱼去做这些事情。所以机器鱼应用领域非常广泛，除了民用，还有军用，因此我们要发展这种新型水下机器人。

其实原来也有一些水下机器人，但它是螺旋桨推进。螺旋桨推进有一个问题，它的噪声非常大，对环境有干扰。比如很多时候轮船经过时，对生物影响很大。现在我们希望用能和环境友好互动的仿生型机器人，来弥补这个缺点。

机器人样机 | 谢广明团队提供

这几张图片展示了我们20年来做的各种各样的机器人样机，有锦鲤，海豚和两栖动物，还有的外形像中国龙一样。

最仿生对象——箱鲀 | 谢广明团队提供

怎么开展研究？先举一个例子：首先要选择一个最优的仿生对象，比如说像这条鱼，它的学名叫箱鲀，英文俗称“boxfish”，因为它外形像盒子。

盒子有什么好处呢？

第一，里面空间非常大，我们将来要做事情的时候，需要负载各种传感器，空间大是个优势。

第二，请大家仔细观察这个鱼，我们叫它“骨骼清奇”，如果从正面看的话脸是内凹，不是流线型。那这个有什么好处呢？科学家专门研究，如果水下乱流冲来的话，会更稳且不会翻倒。有一家汽车公司专门仿这个鱼做了一款概念SUV，在陆地上开的时候会更稳。

第三，它有胸鳍和尾鳍，通过配合可以在珊瑚礁里面非常灵活地游动，我们叫“凌波微步”。所以说它的机动性非常好，又有稳定性，还有空间加负载。

选好仿生对象后，就要针对它的主要特征，用机电结构去实现，比如说考虑胸鳍、尾鳍怎么摆动，去设计机械结构。通过机械结构、3D打印技术，让它的外形内凹、具备自身稳定性，这是结构方面的设计。

仿箱鲀机器鱼设计 | 谢广明团队提供

接下来，要进行硬件上的设计。现在芯片的能力越来越强，成本也越来越低，我们可以把很多传感器、芯片组合在一起。上图是我们设计的电路，为了让它做得更紧凑、更小，我们把芯片做成异型的，这样它和壳体能够紧密地连在一起。

仿生运动研究 | 谢广明团队提供

在这个基础上，下一步就是做控制和算法，把算法调整好之后，机器鱼就可以进行运动上的仿生。看这个小视频，机器鱼的外形跟箱鲀很像，同时它也有相似的鳍肢和尾肢配合，前进、后退、转弯都可以，甚至能前空翻、后空翻、横滚都可以。这样的话，机器人有一个很强魄的身体，将来可以代替人类去做许多事情。这种研究就叫运动仿生，让机器人能在水下做运动。

再进一步，我们还要做感知研究。为什么要研究仿生机器人的感知？因为将来机器在复杂的环境下做事情时，它需要感知环境，才能更好地完成任务。首先我们想到的是加摄像头，但是水下环境很特殊，比如，深一点就会很昏暗，特别是管道里面根本没有光，而且水质很浑浊，当下雨或者其他状况发生时，摄像头根本什么都看不见，全是一片昏暗。

摄像头不够用，这个时候怎么办呢？其实这个是真实生物演变的问题，生物们怎么解决呢？

侧线在鱼类行为中发挥重要作用 | 谢广明团队提供

生物学家发现，鱼类有一种专门针对水下环境感知的器官叫“侧线系统”。像上图片展示的金鱼，它身体两侧和面部分布着一些感知器官。这些感知器官可以感知周围水流的变化，通过水流变化，鱼就能够预测水流方向，前面有无障碍物，有无食物或天敌，伙伴在哪里等等，这些都能感觉到。

|仿生侧线对机器鱼自身状态感知 | 谢广明团队提供

我们觉得鱼类这个系统很好，我们希望机器鱼也能有这样的能力，所以就给机器鱼也在身体的两侧和面部也装了一些压强传感器。比如左右各装了3个，面部装了3个，一共9个简单的传感器。我们发现，虽然这是一个很简陋的仿生侧线系统，但已经可以做很多事情了。

首先做到的是机器人可以预知到自身跟水流流速的关系，通过压强的变化，机器可以测出它跟水流流速的相对关系。再进一步，机器鱼还可以感知到前面的伙伴。我们在前面放一条摆动的机器鱼，摆动的情况下产生水的波动，就会让后面的机器人通过侧线系统感知，估计离自身有多远，左右距离有多少。将来就可以让机器鱼在水下互动了。

再进一步，我们还想让这条机器鱼做更多实际应用，比如捡垃圾工作，那这个时候就需要有一些抓取的操作。前面解决了它的移动，解决了它的感知，下一步要对环境中的对象进行作业，这个怎么办呢？

放生抓捕研究 | 谢广明团队提供

我们首先想到的是，鱼有自己“吃食-捕小鱼”的过程。大家看上面的视频，鱼嘴的功能非常强大，我们也想试图去模仿这个过程。我们初步做了一种结构，但发现这个结构比较庞大，想把它提升到小的鱼上不是那么容易，而且它的灵活性不如现有的机器鱼这么强。

于是就设想，能不能先做一些其他的替代呢？我们发现在实际中有很多其他动物也能够做出这种抓取，比如说章鱼，它的能力很强，不但多肢，而且肢体上面还有吸盘。章鱼可以抓住许多动物，比如抓螃蟹、抓鱼、抓其他东西都非常灵活。通过抓取，它就可以捉住许多生物作为食物，这个很有意思。

那能不能做一种机器的结构，来复现仿章鱼的抓手呢？我们的学生就做了这个研究，他也是把章鱼抓手的特点复现下来。既有几个鳍肢，同时上面还有吸盘能让它产生吸力，两者组合在一起，就可以让它实现对水下物体的抓取。

仿生软体抓取手 | 谢广明团队提供

请看上图展示的仿生抓手。像章鱼一样的抓手，可以抓住各种各样的东西，在空气中也可以完成，比如抓取这种大个的、小个的、长的、圆的等等，甚至可以提起很重的东西。在水里也是一样，这种大型的、扁的、凹的、凸的，包括多个一起都可以抓起来，这个很有意思。

左：抓乌龟；右：抓金鱼 | 谢广明团队提供

不仅如此，我们还可以让这个抓手抓一些活的东西，大家看上面的小动画。这是我们实验室养的真鱼，当这个抓手下去，它一把将金鱼或小乌龟抓起来，抓起来之后并不会对它产生损伤，把它们放开后，它们一样能够正常活动，不会受影响。这样的话，将来做水下作业时，就可以用仿生抓手去做这种任务，和环境可以更好地进行互动。

那前面讲的这些，都是从个体上进行仿生，比如说仿鱼类怎么游动、怎么感知、怎么吞食，或者章鱼怎么抓捕，包括触觉等种种方面。

但只从个体上仿生这个生物的性能，机器性能还是很有限的，为什么这么说呢？我们经常举马航370的例子，飞机装了好几百人掉到海里，最后官方宣布找不到了。为什么呢？真的就是大海捞针，大海非常大，水压非常大，环境非常恶劣，很难去找。当时也有国家派过机器人下去找，但是单枪匹马肯定找不到。如果以后再出现这种情况，那就可能不是派一个了，而是派上百、上千、甚至上万个，单个机器鱼的成本很低，它们一起去找成功率就会大大提升。

很多纪录片里都展示过鱼群集群生活的画面，那么为什么鱼类要集群生活呢？有很多鱼类个体上很弱小，一条鱼将会很难活下去，可能会被天敌吃掉。但是通过形成群体，很弱的个体就能变成强大的群体，甚至可以对抗天敌，还可以一起去找食，提高找食成功率。

所以说，虽然每条鱼很弱小，但它形成群体，就有一个强大的集体能力，这也是自然界给我们很好的启发。我们除了向单条鱼学它的优点，我们也向群体学它们的优点。怎么学呢？我们就去琢磨、去总结、去发现：这种鱼类有哪些相应的相互作用的规律？给它形成数学、规则、法则，然后形成算法，再用到我们的机器鱼上。