仿生機(jī)器人有何作用？北京大學(xué)教授謝廣明給出答案

 

　　早在約兩千年前，魚兒在蓮間嬉戲的生動(dòng)景致就被描繪在詩歌中，流傳至今。

 

　　當(dāng)下，在北京大學(xué)未名湖里，也有一群倏爾遠(yuǎn)逝、往來翕忽的魚兒，領(lǐng)頭的那只體型明顯大過同伴，靈活地?cái)[動(dòng)著身體。眼尖的學(xué)生越瞅越覺不對勁兒，好奇地將它從水里撈出，掂在手里，才發(fā)現(xiàn)它并非鮮活之魚，而是由冰涼的機(jī)器零件組裝的仿真魚。

 

　　二十余年來，北京大學(xué)工學(xué)院教授謝廣明團(tuán)隊(duì)聚焦仿生機(jī)器人，不斷探索機(jī)器人水下作業(yè)領(lǐng)域，科研成果頗豐。而被他精心“養(yǎng)育”的機(jī)器魚，不僅可以像真魚一樣，在水里游動(dòng)、感知環(huán)境、相互交流，還被科技賦予了許多“特異功能”——

 

　　安上攝像頭就是一臺(tái)水下探測儀，可以清晰地給水下環(huán)境拍照，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；裝上抓手就能代替潛水員，下潛到人類無法到達(dá)的深度，即使在惡劣渾濁的水下環(huán)境中，也可以通過觸覺感知能力抓取物體；還能在魚群中“以假亂真”，引導(dǎo)魚群游向適宜的水域……

謝廣明

 

　　未名湖上演“遛魚”大戲

 

　　明媚的秋日午后，陽光灑在北京大學(xué)未名湖上，一陣秋風(fēng)拂過，水面泛起粼粼波光。岸邊聚集的人群中，謝廣明手拿一臺(tái)小型遙控器，目光緊盯湖面，手里不停撥弄著。在他的操控下，一條黑色的機(jī)器魚自如地在水中上浮下潛、前進(jìn)后退，還調(diào)皮地將漂浮的落葉頂出水面，一番花樣動(dòng)作，引來眾多師生圍觀。

 

　　“快看，那幾條魚還真游過來了！”機(jī)器魚的“表演”也吸引了在湖中生活的錦鯉，游來一探究竟。幾條魚好奇地圍著這只“龐然大物”轉(zhuǎn)了一圈又一圈，還不時(shí)小心翼翼地“啄”上一口。不一會(huì)兒，一支壯觀的魚群大隊(duì)形成了，在機(jī)器魚的帶領(lǐng)下，緩緩游向遠(yuǎn)處。

 

　　這樣有趣的“遛魚”場景，經(jīng)常在北京大學(xué)未名湖畔出現(xiàn)。

 

　　2001年，謝廣明進(jìn)入北大力學(xué)系攻讀博士后，并為自己選擇了一個(gè)在當(dāng)時(shí)不太熱門的研究方向——機(jī)器人。“選這個(gè)方向就是想做點(diǎn)看得見、摸得著的東西。”謝廣明說，自己本科和博士分別讀的是數(shù)學(xué)和自動(dòng)控制專業(yè)，當(dāng)時(shí)就覺得專業(yè)內(nèi)容離實(shí)際應(yīng)用有點(diǎn)遠(yuǎn)，“總感覺搞基礎(chǔ)理論研究不夠‘解氣’，就想做點(diǎn)老百姓日常能用得上的研究。”

 

　　然而，機(jī)器人分類多樣，有以無人機(jī)為代表的空中機(jī)器人，也有類似無人駕駛汽車的陸地機(jī)器人，就連能與孩子對話的布娃娃也被歸為機(jī)器人類。在如此繁雜的研究方向中，怎么就鎖定了水里游的仿生機(jī)器魚呢？面對記者的提問，謝廣明頓了頓，認(rèn)真地說：“因?yàn)樗碌氖澜邕h(yuǎn)比我們想象得要精彩。”

 

　　地球其實(shí)是個(gè)水球，超過70%的表面被水覆蓋，而水下也有許多人們賴以生存的“寶藏”。謝廣明舉例：“大家都喜歡吃海鮮，但多數(shù)人不知道的是，扇貝、鮑魚、海參等海鮮的捕獲其實(shí)并不容易。”他回憶，去海邊調(diào)研時(shí)曾見過蛙人下海捕撈的過程，很辛苦。因?yàn)樗顨鈮捍螅麄兠看沃荒芟聺摬坏?0分鐘，時(shí)間長了，還會(huì)落下潛水病與減壓病等職業(yè)病。

 

　　“當(dāng)時(shí)我就想，為什么沒有一種水下機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)捕撈，代替人類去做這種體力活呢？”謝廣明的初心，就像當(dāng)初選擇研究機(jī)器人一樣，簡單且務(wù)實(shí)。

 

　　人類想要飛上天空，從鳥類開始模仿，最終造出了飛機(jī)。當(dāng)科學(xué)家想要探索水下世界，也要向水底的“原住民”請教，謝廣明將視線鎖定在了魚身上。

 

　　作為一名理科生，謝廣明眼中的魚有著獨(dú)特的研究特性：游動(dòng)效率比螺旋槳推動(dòng)高許多，并且有很好的機(jī)動(dòng)性，能夠靈活地在障礙物中穿梭自如。經(jīng)過億萬年的進(jìn)化，它們非常適應(yīng)水下的惡劣環(huán)境。“地球上最深的地方是馬里亞納海溝，到過那里的人很少，卻依然有魚類生存，我們何不向它們學(xué)習(xí)，借助仿生機(jī)器魚去探尋更多未知的世界呢？”

2012年仿箱鲀機(jī)器魚首航北極海域。資料圖

 

　　3D打印出水陸“偵察兵”

 

　　仿生機(jī)器人的研發(fā)離不開三個(gè)階段：尋找模仿對象、設(shè)計(jì)構(gòu)造、實(shí)驗(yàn)測試改進(jìn)。“簡單來講，這三點(diǎn)就是我全部的工作內(nèi)容。”謝廣明說。輕描淡寫的背后，蘊(yùn)含了二十余年的鉆研和努力。

 

　　在北京大學(xué)工學(xué)院的一間實(shí)驗(yàn)室中，放置著一個(gè)長方形的魚缸，這里曾是各種魚類的“訓(xùn)練場”——“鯉魚、錦鯉、箱鲀都養(yǎng)過，買回來讓它們在魚缸里游一游，方便觀察學(xué)習(xí)。”謝廣明邊比劃邊解釋，不同魚類的游動(dòng)姿態(tài)有差異，就拿尾鰭來說，有的左右搖擺，有的上下翻動(dòng)。姿勢不同，對方向的把控也有影響。

 

　　團(tuán)隊(duì)成員需要仔細(xì)觀察魚的游動(dòng)姿態(tài)，通過力學(xué)分析、數(shù)字建模等，尋找最適合機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)方式。“在這間實(shí)驗(yàn)室里經(jīng)常能聽到學(xué)生感嘆：之前路過未名湖怎么就沒發(fā)現(xiàn)，一條魚竟有這么多種游動(dòng)姿態(tài)！”謝廣明笑著說。

 

　　談起魚，謝廣明就像打開了話匣子，滔滔不絕地向記者講起團(tuán)隊(duì)與魚之間的故事。令他印象最深刻的是十幾年前，團(tuán)隊(duì)成員曾經(jīng)跑遍了菜市場，只為買一條外觀好看的錦鯉。“好看可不只是為了賞心悅目，還對科研有幫助。”

 

　　原來，那時(shí)3D打印尚未普及，制作機(jī)器魚的外殼用的還是傳統(tǒng)的方法，需要找專業(yè)的工匠師傅制作模型。“買回一條外形比較‘標(biāo)志’的魚，放冰箱里凍得邦邦硬，再找?guī)煾祬⒄諆鲷~分幾部分削出模型，拼在一起拿給工廠進(jìn)行機(jī)械加工。一通忙活，少說也得半個(gè)月。”謝廣明無奈地?cái)[了擺手，接著又笑著說，“現(xiàn)在可好了，激光掃描加3D打印機(jī)就能解決問題！”

 

　　講到這兒，謝廣明起身走向辦公桌，拿起一件白色的小物件向記者展示。“你看，這是我們團(tuán)隊(duì)利用3D打印最新設(shè)計(jì)的柔性仿生兩棲機(jī)器人，能在光滑斜坡、石子路、泥濘地、水面等各種環(huán)境中運(yùn)動(dòng)。”他手中的小機(jī)器人，中間部分呈橢圓形，四周分別有四條鋸齒狀的腿，可以自由扭動(dòng)，看起來像一只沒有腦袋的小烏龜。

 

　　“仿的就是烏龜。”謝廣明說，團(tuán)隊(duì)通過觀察發(fā)現(xiàn)，烏龜四只腳交替抬起，以匍匐運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；以一條腿為軸不動(dòng)，其他三條腿移動(dòng)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。受此啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)為機(jī)器人設(shè)計(jì)了一條仿生腿：由兩個(gè)垂直的氣囊組成，氣囊之間的連接充當(dāng)仿生關(guān)節(jié)，內(nèi)部通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動(dòng)，對運(yùn)動(dòng)順序進(jìn)行編程，還可以完成各式各樣的運(yùn)動(dòng)步態(tài)。

 

　　謝廣明邊說邊把機(jī)器人放進(jìn)魚缸里，它先是在水面上靜止漂浮了幾秒，隨著遙控器的啟動(dòng)，機(jī)器人的四只腳開始不停劃動(dòng)，下沉上浮、轉(zhuǎn)彎掉頭，機(jī)器人配合著指令不斷改變四只腳劃水的頻率和角度，游動(dòng)的樣子像極了一只靈活的小烏龜。

 

　　“不光表現(xiàn)能力強(qiáng)，我們的數(shù)據(jù)指標(biāo)也過關(guān)。”謝廣明的語氣像是在介紹自家孩子：“速度和方向控制能力是機(jī)器人的‘基本功’。一般來講多數(shù)機(jī)器人的移動(dòng)速度在每秒0.02至0.8倍體長，我們這只仿生機(jī)器人在剛性地形上可達(dá)到每秒運(yùn)動(dòng)0.97倍體長，轉(zhuǎn)彎速度也達(dá)到了每秒25.4度，這個(gè)成績算是兩棲機(jī)器人中比較出色的了。”

 

　　未來，這只從3D打印機(jī)上誕生的小烏龜，有望協(xié)助人類在兩棲環(huán)境中，完成搜索、偵察等重要任務(wù)。

團(tuán)隊(duì)成員給來北大校園參觀的小朋友講解機(jī)器魚。資料圖

 

　　從未名湖游向地球兩極

 

　　隨著技術(shù)的提升，團(tuán)隊(duì)不再滿足于對仿真機(jī)器人速度、方向控制等性能方面的研究，他們逐漸將目光聚焦于機(jī)器人的使用功能，在優(yōu)化和拓展應(yīng)用空間上下功夫。

 

　　一種名為“箱鲀”的魚進(jìn)入了團(tuán)隊(duì)的視線，它還有個(gè)更形象的名字——盒子魚。大大的肚子，小巧的背鰭，尾部如船舵般掌控方向，這些特征在水下機(jī)器人仿生對象身上，堪稱完美。

 

　　“這種魚的內(nèi)部空間大，攝像頭、控制電路、電池、傳感器等都可以塞下。”謝廣明托著一只黃色的箱鲀模型，方形的肚子使它能夠在手中穩(wěn)穩(wěn)直立。“你看，它的臉也與尋常的魚不同，從正面看是向內(nèi)凹的，有科學(xué)家經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水下各種亂流向它沖來時(shí)，內(nèi)凹的臉可以幫它保持穩(wěn)定，不容易翻倒。”此外，它還有發(fā)達(dá)的鰭肢，特別是胸鰭和尾鰭的配合，使它在水中游動(dòng)更靈活。

 

　　光有完美的外形還不夠，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更為重要。由謝廣明領(lǐng)銜，各專業(yè)背景的博士生組成多個(gè)科研小組，分別負(fù)責(zé)機(jī)械、電路、程序等多方面設(shè)計(jì)。以程序組為例，需要設(shè)計(jì)多種控制算法，讓魚的鰭肢和身體配合，游出直線、曲線、圓圈等不同軌跡。

 

　　“光是訓(xùn)練魚游直線就花了小兩年時(shí)間，先在虛擬環(huán)境下任意畫一條軌跡，在計(jì)算機(jī)中反復(fù)訓(xùn)練跑數(shù)據(jù)，大約跑了十萬組數(shù)據(jù)吧，終于游直了。”謝廣明說，就像教小孩爬行、站立、行走、跑步一樣，機(jī)器魚逐漸學(xué)會(huì)了前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)圈，最終就連前滾翻、橫滾翻都能輕易完成。

 

　　2010年，箱鲀機(jī)器魚在北大未名湖中實(shí)現(xiàn)了首游，團(tuán)隊(duì)為它安裝了攝像頭，借助箱鲀的眼睛，師生們第一次看到了未名湖水下的場景。

 

　　然而，他們也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新問題——“當(dāng)天大家都很激動(dòng)，機(jī)器魚也從白天游到了夜晚，當(dāng)天色逐漸昏暗，攝像頭就‘罷工’什么也看不清了。”

 

　　自然界的魚也會(huì)遇到天黑，它們是怎么解決的呢？謝廣明向北大生命科學(xué)學(xué)院的同事請教，這才知道，原來魚有一類特殊的感知器官叫做側(cè)線系統(tǒng)，分布在體側(cè)和面部。魚類可以借助這套系統(tǒng)感受身體周圍水流的細(xì)微變化，從而感知到障礙物和其他伙伴，還能形成群體。

 

　　謝廣明從手機(jī)相冊中翻出一張機(jī)器魚的“解剖圖”，上面清晰地顯示，9個(gè)名為“壓強(qiáng)傳感器”的微小零件被植入機(jī)器魚體內(nèi)，分別位于身體兩側(cè)和面部。“我們參照側(cè)線系統(tǒng)，采用類似原理設(shè)計(jì)了傳感器，模擬出魚類的感知能力。”他邊說邊將一塊泡沫板放置在水面上，普通的機(jī)器魚在未經(jīng)操控的情況下直接沖撞了上去，而配備了傳感器的機(jī)器魚則慢悠悠地繞過障礙物，像是“看”到了泡沫板。

 

　　從實(shí)驗(yàn)室的魚缸，到校園的未名湖，機(jī)器魚的“夢想”不止于此。

 

　　2012年，團(tuán)隊(duì)委托國家科考隊(duì)員把機(jī)器魚帶到了北極海域；2014年，機(jī)器魚又實(shí)現(xiàn)了在南極海域的首航。“原本只是想去極端環(huán)境中試試水，沒想到機(jī)器魚表現(xiàn)還不錯(cuò)。”謝廣明笑著列出兩次遠(yuǎn)征的“成績單”——借助傳感器，機(jī)器魚采集了南北兩極的水質(zhì)、鹽度、溫度等數(shù)據(jù)，還傳回了幾段與冰川的合影視頻。

 

　　當(dāng)然也留下了一些遺憾。“盡管機(jī)器魚在兩極冰冷的水中游起來了，但僅在水面上撲騰了一會(huì)兒，沒能像在未名湖一樣，下潛到水下。”后來，團(tuán)隊(duì)分析考慮機(jī)器魚可能是受到了海水浮力的影響。“雖說帶了點(diǎn)遺憾回來，但也算是代表團(tuán)隊(duì)出征地球兩極，為以后的科研指了條新路。”謝廣明欣慰地說。

 

　　以自然為師反哺大自然

 

　　2018年5月4日，北京大學(xué)迎來120周年校慶。這一天對謝廣明來說，還有另一層特殊的意義——智能仿生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室正式成立。實(shí)驗(yàn)室立足于智能仿生裝備與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研發(fā)和實(shí)際應(yīng)用，開展自然界生物個(gè)體功能的仿生創(chuàng)新，模仿生物的運(yùn)動(dòng)、感知、定位、通信、作業(yè)等能力，并將其與人工智能機(jī)器人技術(shù)融合。

 

　　機(jī)器魚也為實(shí)驗(yàn)室的成立“獻(xiàn)禮”。同年，由謝廣明團(tuán)隊(duì)學(xué)生研發(fā)的世界上首條水下攝影機(jī)器魚，獲得了國際消費(fèi)類電子產(chǎn)品展覽會(huì)（CES 2018）創(chuàng)新獎(jiǎng)，并成功進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化。

 

　　面對這些成績，謝廣明始終沒有忘記自己的初心：“讓仿生機(jī)器人通過水下作業(yè)，為老百姓做點(diǎn)實(shí)事。”

 

　　當(dāng)下，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)也正在為此努力——

 

　　水下作業(yè)，僅靠一兩條機(jī)器魚是無法完成的，需要一定數(shù)量的機(jī)器魚相互配合、分工協(xié)作，形成群體。“不能每一條機(jī)器魚都靠人工遙控，太費(fèi)時(shí)費(fèi)力了。”謝廣明攤了攤手，接著說，“能不能找到一種方式，讓機(jī)器魚自己溝通交流呢？”

 

　　這次，團(tuán)隊(duì)從遙遠(yuǎn)的南美洲亞馬遜河請來了一種名為“線翎電鰻”的魚。大多數(shù)時(shí)候，它們喜歡躲藏在密植的水草叢中，巖石、沉木縫隙的幽暗環(huán)境里，靠體內(nèi)的弱電流來準(zhǔn)確感知水流、障礙物和食物。“這類弱電魚通過調(diào)整身體，形成了一個(gè)交變的電場，被另外一條魚感知到，就可以和同伴‘打招呼’了。”

 

　　受此啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)中主管電路的小分隊(duì)建立了適用于機(jī)器魚的理論模型，包括發(fā)射電路、接收電路以及通信編碼協(xié)議，設(shè)計(jì)安裝好電路后，兩條機(jī)器魚就實(shí)現(xiàn)了水下的信息溝通。

 

　　謝廣明向記者展示了最新的實(shí)驗(yàn)成果。他向魚缸里放入兩條機(jī)器魚，漂浮在水面上的是“魚王”，負(fù)責(zé)發(fā)號(hào)施令，潛入水底的是追隨者。啟動(dòng)程序后，兩條魚同時(shí)前進(jìn)，“當(dāng)前面有障礙物時(shí)，魚王發(fā)出‘上浮’信號(hào)，水中的魚就緩緩上浮，繞過障礙物。”謝廣明解釋，雖說通信距離還不是很遠(yuǎn)，但這是機(jī)器魚通過新型的水下通信方式執(zhí)行的首個(gè)指令。

 

　　正如人工智能逃不開圖靈測試，機(jī)器魚也要接受“真魚測試”。隨后，謝廣明把機(jī)器魚放進(jìn)了北大未名湖里，經(jīng)過一段時(shí)間的適應(yīng)，湖里的錦鯉慢慢聚集在機(jī)器魚身后，形成了群體游動(dòng)。

 

　　真魚對機(jī)器魚的“認(rèn)可”，具有更高的應(yīng)用價(jià)值——引導(dǎo)真魚洄游。當(dāng)下，謝廣明團(tuán)隊(duì)正在和水利工程團(tuán)隊(duì)開展合作，在適當(dāng)?shù)募竟?jié)，利用機(jī)器魚將真魚引導(dǎo)到大壩的洄游魚道上，以保護(hù)物種延續(xù)。

 

　　隨著科研的逐步深入，謝廣明的仿生對象正在向水下的各個(gè)角落延伸：生活中常見的鯉魚、草魚，在海洋中暢游的海豚、鯨魚、章魚，兩棲動(dòng)物蠑螈……越來越多的水下生物從自然界“游”進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，向人類展示著運(yùn)動(dòng)、通訊、感知、抓取等多樣的“超能力”。

 

　　物競天擇，適者生存。經(jīng)過漫長進(jìn)化的大浪淘沙，地球上的生物能夠很好的適應(yīng)特定環(huán)境，繁育后代。以自然為師，向大自然學(xué)習(xí)。人類通過借鑒生物的特點(diǎn)，探索更多樣的世界，“這就是仿生的魅力！”

 

　　面向未來，謝廣明滿懷好奇和期待：“水下還有太多秘密等待著人類的發(fā)現(xiàn)。探索未知，服務(wù)人類，是機(jī)器魚承擔(dān)的使命，也是團(tuán)隊(duì)永恒的目標(biāo)。”