中科院自动化所仿生机器鱼团队：子非鱼焉知鱼之乐

牟(左四)和(右三)机器人仿生鱼团队参加国家科学技术奖励大会

看到鱼，大多数人会想到各种各样的鱼美食。然而，对于中国科学院自动化研究所仿生机器鱼团队的成员来说，他们想的是如何改进算法，使机器更具生物性。最近，该团队完成的“仿生机器鱼高效高机动控制理论与方法”项目获得2017年国家自然科学奖二等奖。

■记者沈春雷、彭克峰

在中国科学院自动化研究所的所有这类团队中，他们致力于研究鱼类的游泳方法，并试图制造出逼真的仿生机器鱼。他们眼中看到的鱼和普通人眼中看到的不同。“我们看到了鱼的尾鳍摆动，并思考如何进一步改进控制算法，以更好地实现仿生机器鱼上的鱼的波动推进模式”。

最近，该团队完成的“仿生机器鱼高效高机动控制理论与方法”项目获得2017年国家自然科学二等奖。该团队的主要成员包括、侯扩增、于俊智、、等研究人员。自2000年以来，该团队一直合作解决关键问题，并致力于仿生机器鱼控制的研究。其成员先后获得国家自然基金创新小组、杰出青年基金和杰出青年基金的支持。

1月12日，自动化研究所组织了一次关于获奖团队经验的研讨会。会上，自动化研究所党委书记、副所长牟熊科代表研究所向团队表示祝贺，并指出团队文化的精神:“科研需要品位”他还指出，团队荣誉的背后是近20年的辛勤工作。谭敏作为领导者，不仅取得了成就，也培养了人才。

智能算法跟踪仿真

早在2001年，和北京航空航天大学教授王就谈到了自动化研究所的智能控制算法能否应用于工业设计。受到交流的启发，谭敏带领团队开始了仿生机器鱼的研究。何告诉《中国科学报》记者:“2001年是仿生机器鱼研究的初始阶段。这个时期主要是对鱼的跟踪和模仿

到2003年左右，仿生机器鱼团队的研究进入了一个新的阶段——三维仿生运动阶段。为了提高任务的环境适应性，机器鱼需要在水中具有三维运动能力，即除了推进之外，机器鱼还需要能够漂浮和下降，甚至保持一定的深度。

为此，仿生机器鱼团队在现有多关节仿生机器鱼的基础上设计了一种新型机器鱼。基于改变胸鳍迎角的方法，完成仿生机器鱼的俯仰和浮潜运动。“我们设计的机器鱼可以同时实现俯仰和浮潜，响应速度快，动态特性好。”谭敏说。

2004年，仿生机器鱼团队提出了一种基于重心变化法的仿生机器鱼俯仰姿态和深度控制方法，用于实现机器鱼的水下漂浮运动。谭敏介绍说，这种方法采用位置可调的配重结构来改变机器鱼的重心位置，从而实现机器鱼俯仰姿态的调整。

2005年后，仿生机器鱼团队开始研究仿生机器鱼的高机动性控制，如转弯、快速启动、运动中的变速和转向、反向游泳、深度设定和制动。

经过十多年的艰难挑战，仿生机器鱼团队在对鱼类进行深入观察的基础上，结合仿生学、机器人学、材料科学、力学和智能控制，深入探讨了鱼类游动的机理，并利用多模式控制技术实现了各种性能集成到高性能机器鱼平台中。

目前，该团队开发的多仿生机器鱼组是借鉴鱼类游动的推进机制，利用机械、电子元件和智能材料，用于水下推进的运动装置。它在国际仿生机器鱼领域占有重要地位。

从鱼体中寻找灵感

鱼作为自然界中最早的脊椎动物，经过数亿年的自然选择，已经进化出在水中移动的非凡能力。它的游泳技术远远高于人类。谭敏指出:“与普通水下螺旋桨相比，鱼类游动具有高效率、高机动性、低扰动和对复杂生活环境适应性强的特点。”

为了满足新的需求，国内外科学家正在探索不同于螺旋桨推进的其他高效、灵活的水下推进方法。王硕说，仿生机器鱼作为鱼类推进机制和机器人技术的结合，为新型水下机器人的发展提供了新的思路。它具有重要的研究价值和应用前景，可用于狭窄或危险水下环境中的监测、军事侦察、水下救援、水下考古、海洋生物观测、水下设备维护等工作。

目前，仿生机器鱼系统的研究已经在理论和应用方面开展了大量的工作。仿生机器鱼团队的研究表明，波浪推进具有许多独特的优势。谭敏说:“波浪推进是一种不同于螺旋桨的推进方法。隐藏在大自然中的这种力量值得我们付出努力，潜心研究。它将为水下航行提供一种新的前进力量。”

近几年来，一些发达国家非常重视仿生机器鱼的研究。其中，日本三菱重工开发的观赏鱼的市场价格为每条1000美元。

自动化研究所在中国的信息和自动化领域一直默默工作，并在早期积累了良好的技术。在此基础上，仿生机器鱼团队将智能算法与仿生学等其他学科相结合，从鱼体中寻找灵感，开辟了仿生机器鱼的研究方向，在现有研究的基础上，开展了减阻、减重、功耗、算法等方面的技术研究，并提出了更具创新性的理论成果。

潜心研究跳水动作

通过与仿生机器鱼团队的交流，记者发现团队成员善于“观察”。例如，该团队提出了“基于虚拟C形管道的动态轨迹方法”，在仔细观察真实鱼的C形启动过程的基础上，实现模拟鱼的高机动性运动。

对于这种轨迹法，谭敏给了《中国科学日报》记者一个形象的解释。在鱼的转向过程中，当头部经过某一点后，身体的其他部分会经过相应的点，但需要进一步确认。

周超是仿生机器鱼团队的成员，他于2003年进入该研究所攻读博士学位。谭敏是他的导师。毕业后，他留在仿生机器鱼团队继续仿生鱼的研究工作。他还提出了一些难点:“电池寿命和水下通信是仿生机器鱼的主要技术难点。为此，我们求助于相关领域的专家。虽然有些问题还没有解决，因为这是一个新领域，我们准备长期研究。”

多年来，仿生机器鱼团队接待了无数游客，也面临着各种考验。有人曾经说过，“你做仿生机器鱼是为了自己的娱乐吗？”面对这样的疑问，团队以行动回应。

2016年，应玉树市*和青海省水利局邀请，于俊智等团队成员携带两只自主研发的仿生机器海豚在玉树古禅水库进行现场水质监测和验证试验。

于俊智说:“在所有能跳入水中的水生动物中，海豚使用背侧推进力，即在垂直平面上上下拍打尾鳍，这样可以获得更好的俯仰机动能力，更适合在水面附近做上下翻转，而且比其他鱼类跳入水中的临界速度低。”

于俊智一直专注于观察各种海豚的动作，并开始研发一种能跳出水面的机器海豚。世界上第一次，机器海豚完全跳出水面，完全再现了“出水-空中滑翔-重返水中”的生物跳跃过程。

该团队还在相关应用领域进行了前瞻性规划。谭敏欣愉快地透露，通过海豚投放、性能测试和回收利用的现场试验，研究成果最终得到了验证，表明应用又近了一步。

《中国科学报》(第六版，2018年1月22日)