仿生魚事業也許也是興趣

有人說，毀掉一個興趣的最快方式，就是把它當成事業去做。對此，吳正興可不認同。

十多年前還在讀研時，想到仿生，吳正興頭腦中浮現的是有趣、知識、創新等詞匯。而今當他和團隊親手把仿生機器海豚、仿生金槍魚、仿生蝠鲼等放進湖里、海里后，他的感受又豐富了許多。

把仿生機器魚當成事業，吳正興不僅沒有失去興趣，還“越陷越深”——迄今為止，他所發表和參與發表的數十篇SCI 期刊論文、已授權的國際國內30多項發明ZL、所主持的10項基金或人才項目，都離不開“水下仿生智能機器人”這個關鍵詞。今年，他又憑借長期出色的水下仿生機器人系統研發工作，榮獲第一屆“中國科學院青年五四獎章”。

吳正興 本人供圖

“越了解越神往”

魯班被鋸齒草劃傷手臂，受啟發發明了鋸子；科學家根據蝙蝠的超聲定位，發明了雷達……少年時，吳正興就對這些故事格外感興趣。大自然是個寶庫！于是他時不時地就會留意身邊的自然萬物，心想著會不會受啟發發明一些新東西。

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的科學研究。

吳正興初到中國科學院自動化研究所讀研時，課題組的方向是機器人控制。導師譚民研究員給了他半年時間，讓他“根據自己的興趣愛好去選擇科研方向”。

那時他覺得仿生機器魚“挺好玩”：利用各類知識，讓一堆沒有生命的機械零件像魚一樣在水里游來游去，這很神奇。沒過多久，吳正興就確定了自己的研究方向——水下仿生智能機器人。

在課題組老師們的幫助下，吳正興查文獻、找資料，對魚類的機動性能有了更多認識。在搜閱材料中，他看到北美狗魚在捕食時可以像射出的箭一樣發起進攻，那視覺沖擊力令人驚嘆。于是，仿生機器狗魚——它能模仿狗魚的高機動運動，就成了吳正興科研路上的第一條機器魚。

隨著研究的深入，吳正興接觸的知識越來越多、越來越豐富，他就越覺得魚類真的很神奇。“我心里會止不住地想要把這些功能都仿生出來，這促使著我繼續往下挖，也讓我更堅定地喜歡做這個方向。”

吳正興所在團隊選擇的仿生對象，也各具特色。

海豚、鯊魚和金槍魚的游動采用的都是BCF模式（身體/尾鰭推進模式），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，機動能力特別強，能夠輕易做出躍水、滑浪等動作。

蝠鲼則采取MPF模式（中間鰭/對鰭推進模式）游動，它用兩側寬大的胸鰭推動身體，穩定性更佳。研究團隊分別以它們作為仿生對象，給水下仿生機器人賦予了不同的特色和優勢。

仿生機器海豚 吳正興供圖

“我們團隊以點斑原海豚為仿生對象研發的高速仿生機器海豚，實現了仿海豚式的連續躍水運動，表現出了非常好的高速、高機動能力；以金槍魚為對象，研制的仿生機器金槍魚實現了超過每秒3倍體長的游速，表現出非常好的高速性能；而以蝠鲼為對象，研制的仿生機器蝠鲼，實現了原地轉向，豎直面內的翻滾運動，機動能力非常好，而且由于平臺穩定性強，可以搭載一些攝像頭等設備，實現水下拍攝、感知、識別等功能。”介紹起他們的機器魚來，吳正興如數家珍。

“工程經驗是一點點積累的”

仿生機器魚優越的游動性能，展現了很好的應用前景。然而，實驗研究和工程應用，這中間還隔著許多鴻溝。

吳正興說，實驗室的水池和野外環境完全不同，理論方法和工程應用也是兩套思路。“理論方法偏重驗證性，工程應用則講究實用性，后者對平臺的穩定性、耐久性等提出了很高的要求。”

前期在工程應用中確實遇到了不少問題，但吳正興和團隊沒有停下腳步。

明明在實驗室測試時沒問題，但在湖里、海里工作時間一長，機器魚的密封性、結構穩定性就容易出“幺蛾子”。加之團隊的工程經驗不足，許多工程技術問題在機器魚們走出實驗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，每一步的改進和優化都非常耗時耗力，但他們不辭辛苦。大家加班加點、日夜不輟，不斷根據工程環境優化改進，硬是把仿生系統的工程能力給磨煉出來了。

吳正興記得，博士剛畢業時他帶著師弟和學生們做機器海豚試驗，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。于是，一到晚上，實驗室幾乎全員出動，抬機器、拍照、記錄、控制……大家都搶著干，一做就是一個通宵。

“經驗就是這樣一點一滴積累的。”吳正興告訴《中國科學報》，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，暈船厲害，有同事甚至在船上起不了床，他也吐得一塌糊涂；如今，大家上了船已經熟知該怎么保持狀態了——什么時候該動、什么時候躺著、用多大動作幅度等等，儼然一個個“老水手”。

變化的訣竅是“遇到問題再暈再苦也不退縮”。吳正興這支工程隊伍以“85后”“90后”為主，用他的話說是“朝氣蓬勃、意氣風發、干勁十足、有活力有激情”。在自動化所研究員周超的帶領下，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”。

現在，吳正興所在團隊研發的仿生機器海豚，已經可以搭載一些水質監測傳感器去做一些實際的工作。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監測應用驗證等，取得了不錯的效果。

不過，他也告訴記者，團隊現在的仿生機器魚技術成熟度還有待提高，錯綜復雜的海洋、湖泊等的水文環境對機器魚系統的穩定性和智能程度也有非常高的要求，他們的探索“仍在路上”。

精彩紛呈的仿生魚世界

仿生機器魚是一類新型水下移動機器人，它們的應用前景有著極大的想象空間。比如，它們可以是生物學家探索海洋生物的“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、水下設備檢修、探測可燃冰等場景的重要工具。

仿生鯊魚 吳正興供圖

吳正興告訴《中國科學報》，目前，世界上有很多大學、科研機構、科技公司在研究仿生機器魚。

例如，美國麻省理工學院計算機科學和人工智能實驗室主任Daniela Rus團隊在軟體氣動仿生機器魚研究方面很有特色，該團隊研制的軟體機器魚攜帶有視覺傳感器，能實現在海洋環境自主游動，相關成果曾發表在Science Robotics；美國弗吉尼亞大學Bart-Smith教授和哈佛大學GV Lauder教授合作團隊也作出了卓見成效的成果，他們研制的高速仿生金槍魚能實現4.6倍體長/秒的高速游動，且可實現變剛度調節，相關介紹也刊發在了Science Robotics上。

國內的研究也不甘落后。比如北京航空航天大學文力教授團隊對?魚的吸盤結構很感興趣，研發了仿生吸盤，也把文章發表在Science Robotics上；浙江大學李鐵風教授團隊以柔性材料見長，他們的深海軟體機器魚令人印象深刻；西北工業大學潘光教授團隊的工程化水平很高，實現了仿生蝠鲼千米深度的滑翔……吳正興所在的研究團隊，則把機器魚的“高速、高機動性”作為重點方向，先后實現了仿生機器海豚的連續躍水運動、每秒670°轉身的高機動仿生機器魚、游速超過7倍體長/秒的高速機器魚、仿生蝠鲼的豎直翻滾運動等等。

這些仿生機器魚的研究各具特色、精彩紛呈。不過，跟真實的魚類比起來，這些研究和工程化探索受限于材料和驅動器等技術，在長時間巡游速度、瞬時爆發力、感知水平等方面還差得遠。

“仿生機器魚從實驗室走向工程應用確實不容易，我們一步步地在慢慢成長。”吳正興對《中國科學報》說。

在仿生機器魚這個方向深耕，研究團隊培養了一批研究生，也取得了一系列科研成果。但是吳正興覺得，許多成果都只發表了學術論文，“始終缺少一個系統性、全面性的總結”。

他找兩位導師（譚民、喻俊志）商量，覺得應該把團隊研究的一部分工作串聯起來，系統性地做點總結。三人一拍即合，合著了專業科普書《水下仿生智能機器人》。在這本書中，他們介紹了幾種機器魚平臺的仿生機構設計、運動建模和智能跟蹤控制等內容。