發(fā)布時間：2022年11月14日
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有人說，毀掉一個人興趣的最快方式，就是把它當(dāng)成事業(yè)去做。對此，中科院自動化研究所（以下簡稱自動化所）研究員吳正興并不認(rèn)同。
十多年前還在讀研時，想到仿生，吳正興頭腦中浮現(xiàn)的是“有趣”“知識”“創(chuàng)新”這些詞匯。而今，當(dāng)他和團(tuán)隊(duì)親手把仿生機(jī)器海豚、仿生金槍魚、仿生蝠鲼等放進(jìn)湖里、海里后，他的感受又豐富了許多。
把仿生機(jī)器魚當(dāng)成事業(yè)，吳正興不僅沒有失去興趣，還“越陷越深”。迄今，他所發(fā)表和參與發(fā)表的數(shù)十篇SCI期刊論文、已授權(quán)的國際國內(nèi)30多項(xiàng)發(fā)明專利、所主持的10項(xiàng)基金或人才項(xiàng)目，都離不開“水下仿生智能機(jī)器人”這個關(guān)鍵詞。今年，他又憑借長期出色的水下仿生機(jī)器人系統(tǒng)研發(fā)工作，榮獲第一屆“中國科學(xué)院青年五四獎?wù)隆薄?br />
越了解越神往
魯班被鋸齒草劃傷手臂，受此啟發(fā)發(fā)明了鋸子；蝙蝠能超聲定位，科學(xué)家據(jù)此發(fā)明了雷達(dá)……少年時，吳正興就對這些故事格外感興趣。大自然是個寶庫！于是他時不時就會留意身邊的自然萬物，想著會不會受啟發(fā)發(fā)明一些新東西。
興趣歸興趣，在讀研之前，吳正興也沒想過自己會從事與仿生相關(guān)的科學(xué)研究。
吳正興初到自動化所讀研時，課題組的方向是機(jī)器人控制。導(dǎo)師譚民研究員給了他半年時間，讓他“根據(jù)自己的興趣愛好去選擇科研方向”。
那時他覺得仿生機(jī)器魚“挺好玩”，利用各類知識，讓一堆沒有生命的機(jī)械零件像魚一樣在水里游來游去，很神奇。沒過多久，吳正興就確定了自己的研究方向——水下仿生智能機(jī)器人。
在課題組老師們的幫助下，吳正興查文獻(xiàn)、找資料，對魚類的機(jī)動性能有了更多認(rèn)識。在查閱材料中，他看到北美狗魚在捕食時可以像射出的箭一樣發(fā)起進(jìn)攻，那視覺沖擊力令人驚嘆。于是，能模仿狗魚的高機(jī)動運(yùn)動的仿生機(jī)器狗魚成了吳正興科研路上的第一條機(jī)器魚。
隨著研究的深入，吳正興接觸的知識越多越豐富，他就越覺得魚類很神奇。“我心里會止不住地想要把這些功能都仿生出來，這促使我繼續(xù)往深處挖，也讓我更執(zhí)著于這個領(lǐng)域。”
吳正興所在團(tuán)隊(duì)選擇的仿生對象各具特色。
海豚、鯊魚和金槍魚游動時采用的都是BCF模式（身體/尾鰭推進(jìn)模式），能夠高速、高效率游動。但海豚與鯊魚、金槍魚又不太一樣，它在游動中身體具有更明顯的柔性波動，機(jī)動能力特別強(qiáng)，能夠輕易做出躍水、滑浪等動作。
蝠鲼則采取MPF模式（中間鰭/對鰭推進(jìn)模式）游動，它用兩側(cè)寬大的胸鰭推動身體，穩(wěn)定性更佳。研究團(tuán)隊(duì)分別將它們作為仿生對象，給水下仿生機(jī)器人賦予不同的特色和優(yōu)勢。
“我們團(tuán)隊(duì)以點(diǎn)斑原海豚為仿生對象研發(fā)的高速仿生機(jī)器海豚，實(shí)現(xiàn)了仿海豚式的連續(xù)躍水運(yùn)動，具有非常好的高速、高機(jī)動能力；以金槍魚為對象研制的仿生機(jī)器金槍魚每秒游動距離超3倍體長，表現(xiàn)出非常好的高速性能；而以蝠鲼為對象研制的仿生機(jī)器蝠鲼，實(shí)現(xiàn)了原地轉(zhuǎn)向、豎直面內(nèi)翻滾運(yùn)動等，機(jī)動能力非常好，而且由于平臺穩(wěn)定性強(qiáng)，可以搭載攝像頭等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)水下拍攝、感知、識別等功能。”介紹起他們的機(jī)器魚來，吳正興如數(shù)家珍。
工程經(jīng)驗(yàn)是一點(diǎn)點(diǎn)積累的
仿生機(jī)器魚具有優(yōu)越的游動性能，展現(xiàn)出了很好的應(yīng)用前景。然而，實(shí)驗(yàn)研究和工程應(yīng)用還間隔著鴻溝。
吳正興說，實(shí)驗(yàn)室的水池和野外環(huán)境完全不同，理論方法和工程應(yīng)用也是兩套思路。“理論方法偏重驗(yàn)證性，工程應(yīng)用則講究實(shí)用性，后者對平臺的穩(wěn)定性、耐久性等提出了很高的要求。”
前期在工程應(yīng)用中吳正興和團(tuán)隊(duì)確實(shí)遇到了不少問題，但他們沒有停下腳步。
明明在實(shí)驗(yàn)室測試時沒問題，但在湖里、海里工作時間一長，機(jī)器魚的密封性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性就容易出問題。加之團(tuán)隊(duì)的工程經(jīng)驗(yàn)不足，許多工程技術(shù)問題在機(jī)器魚們走出實(shí)驗(yàn)室的過程中暴露出來。
兵來將擋，水來土掩。“這個過程就是‘迭代’。”吳正興說，每一次改進(jìn)和優(yōu)化都非常耗時耗力，但他們不辭辛苦，加班加點(diǎn)、日夜不輟，不斷根據(jù)工程環(huán)境優(yōu)化改進(jìn)，硬是把仿生系統(tǒng)的工程能力給磨煉出來了。
吳正興記得，博士剛畢業(yè)時他帶著師弟和學(xué)生們做機(jī)器海豚試驗(yàn)，在北京找不到特別深的水池，只好租用一家潛水館，但只能在晚上對方不用時才能去試驗(yàn)。于是，一到晚上，實(shí)驗(yàn)室?guī)缀跞珕T出動，抬機(jī)器、拍照、記錄、控制……大家都搶著干，一做就是一個通宵。
“經(jīng)驗(yàn)就是這樣一點(diǎn)點(diǎn)積累的。”吳正興告訴《中國科學(xué)報》，還有個好玩的變化可以說明一些問題。剛開始“海試”的時候，大家都不太適應(yīng)，暈船暈得厲害，有同事甚至在船上起不了床，他也吐得一塌糊涂。而如今，大家上了船已經(jīng)熟知該怎么保持狀態(tài)了——什么時候該動、什么時候躺著、用多大動作幅度等，儼然成了“老水手”。
變化的訣竅是“遇到問題再暈再苦也不退縮”。吳正興這支工程隊(duì)伍以“85后”“90后”為主，用他的話說是“朝氣蓬勃、意氣風(fēng)發(fā)、干勁十足、有活力有激情”。在自動化所研究員周超的帶領(lǐng)下，他們“下得了海、熬得了夜、吃得了苦”，遇到難題，逢山開路、遇水搭橋，“都是這么過來的”。
現(xiàn)在，吳正興所在團(tuán)隊(duì)研發(fā)的仿生機(jī)器海豚，已經(jīng)可以搭載一些水質(zhì)監(jiān)測傳感器承擔(dān)實(shí)際的工作。他向記者介紹說，他們先后在北京雁棲湖、青海玉樹水庫等地成功開展了水質(zhì)監(jiān)測應(yīng)用驗(yàn)證等，取得了不錯的效果。
不過，他也告訴記者，團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在的仿生機(jī)器魚技術(shù)成熟度還有待提高，錯綜復(fù)雜的海洋、湖泊等的水文環(huán)境對機(jī)器魚系統(tǒng)的穩(wěn)定性和智能程度也有非常高的要求，他們“仍在路上”。
精彩紛呈的仿生魚世界
仿生機(jī)器魚是一類新型水下移動機(jī)器人，它們的應(yīng)用前景有著極大的想象空間。比如，它們可以是生物學(xué)家探索海洋生物的“第三只眼”，也可以是攝影師水下拍攝的“好搭檔”，還可能成為水下救援、水下考古、水下設(shè)備檢修、探測可燃冰等場景的重要工具。
吳正興告訴《中國科學(xué)報》，目前，國外有很多大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)、科技公司在研究仿生機(jī)器魚，做出了不少成果。而國內(nèi)的研究也不甘落后，比如北京航空航天大學(xué)文力教授團(tuán)隊(duì)對鮣魚的吸盤結(jié)構(gòu)感興趣，研發(fā)了仿生吸盤；浙江大學(xué)李鐵風(fēng)教授團(tuán)隊(duì)以柔性材料見長；西北工業(yè)大學(xué)潘光教授團(tuán)隊(duì)的工程化水平很高，實(shí)現(xiàn)了仿生蝠鲼千米深度的滑翔……吳正興所在的研究團(tuán)隊(duì)，則把機(jī)器魚的“高速、高機(jī)動性”作為重點(diǎn)方向，先后實(shí)現(xiàn)了仿生機(jī)器海豚的連續(xù)躍水運(yùn)動、高機(jī)動仿生機(jī)器魚每秒670°轉(zhuǎn)身、高速機(jī)器魚超過7倍體長/秒的游速、仿生蝠鲼的豎直翻滾運(yùn)動等。
這些仿生機(jī)器魚的研究各具特色。不過，與真實(shí)魚類相比，這些研究和工程化探索的仿生魚受限于材料和驅(qū)動器技術(shù)等，在長時間巡游速度、瞬時爆發(fā)力、感知水平等方面還差得遠(yuǎn)。
“仿生機(jī)器魚從實(shí)驗(yàn)室走向工程應(yīng)用確實(shí)不容易，我們在慢慢成長。”吳正興對《中國科學(xué)報》說。
研究團(tuán)隊(duì)深耕仿生機(jī)器魚這個研究方向，培養(yǎng)了一批研究生，也取得了一系列科研成果。但是吳正興覺得，許多成果都只發(fā)表了學(xué)術(shù)論文，“始終缺少一個系統(tǒng)性、全面性的總結(jié)”。
他找譚民、喻俊志兩位導(dǎo)師商量，覺得應(yīng)該把團(tuán)隊(duì)研究的一部分工作串聯(lián)起來，系統(tǒng)性地做點(diǎn)總結(jié)。三人一拍即合，合著了專業(yè)科普書《水下仿生智能機(jī)器人》。在這本書中，他們介紹了幾種機(jī)器魚平臺的仿生機(jī)構(gòu)設(shè)計、運(yùn)動建模和智能跟蹤控制等。
“這些成果理論聯(lián)系實(shí)際，介紹得非常詳細(xì)，一是希望將我們的一些學(xué)術(shù)見解和心得體會進(jìn)行分享，與他人交流；二是為從事類似研究的工作人員提供一些參考。”吳正興說，“三是為一些學(xué)生和喜歡仿生機(jī)器魚的人提供科普讀物，歡迎他們憑著興趣來到仿生魚的精彩世界。”
（原載于《中國科學(xué)報》 2022-06-16 第1版 要聞）