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科普文章

機械魚、機械水母、機械海豚 ……快拿我的精靈球來

  • 發表日期:2018-04-01 【 【打印】【關閉】
  •   亚愽娱乐app自動化研究所喻俊志研究員告訴科技日報記者,為了實現游動,SoFi機器魚有一個驅動機構將水抽進兩個球狀腔體中,當一個腔體膨脹時,身體會彎曲到一邊,當執行機構把水推到另一個腔體時,身體就會向另一個方向彎曲。類似于發動機的一組活塞,通過往復運動驅使機器魚像真魚一樣左右擺動。

      值得一提的是SoFi采用軟體驅動機制設計,擺脫了剛體機構約束,“而軟體仿生必將是以后機器魚的發展方向。”喻俊志說。

    亚愽娱乐app  其實,除了SoFi、機械狗魚、機械海豚和機械水母,早已有眾多仿生生物在水中暢游了。

      師法自然的機械設計 

      和運動控制 

    亚愽娱乐app  喻俊志介紹,仿生魚能在水中如此靈活地游動,這主要得益于機械設計和運動控制兩方面的結合。

      自然界中,漫長的自然選擇和進化賦予了魚類超凡的水下運動天賦。憑借優異的生理構造和游動機制,魚類的游動性能遠超現有的航行器。

    亚愽娱乐app  “能者為師,我們以生物解剖學為基礎,對仿生機器魚的外部形態和內部質量分布進行設計。”喻俊志說。

      以機械狗魚為例,在機械設計方面,該機器魚以北美狗魚為仿生對象,整體外形采用流線細長體結構,頭部采用寬扁形的設計都能有效地減小流體阻力。尾部為典型的多連桿機構,由四個鋁制的骨架串聯而成。這種機構簡單靈活,易于控制,能夠近似模仿魚類游動形態。尾鰭通過細小的尾柄與多連桿機構連接,其形狀是根據真實狗魚的尾鰭進行設計,更加符合生物特征,以便獲得較優的水動力。

      魚類的胸鰭具有極其復雜的生理結構,既能夠作為被動控制面以靜態形式輔助魚體平衡,也能夠作為主動控制面以振動形式實現機動運動,而仿生機器魚采用過于復雜的胸鰭結構較為困難。

      “我們采用對稱且一直保持伸展的兩個自由度胸鰭結構,在機器魚游動時提供俯仰力矩,實現機器魚上浮/下潛。”喻俊志說,在機械設計過程中盡量使浮心與重心在一條垂線,且重心必須保持在前進方向的軸線上,重心越往前,機器魚游動時對頭部的影響越小,這樣機器魚游動起來有更好的穩定性。

      除了身型接近真正的北美狗魚,機械魚在游動上也和北美狗魚很像,不僅可以上下浮動、左右擺動,還能快速轉彎。

      喻俊志介紹,魚類的游動模式多種多樣,簡單講主要有兩種,一種是身體/尾鰭模式,魚類通過將身體彎曲形成向后傳播的魚體波產生向前的動力,并延伸至尾鰭,從而產生推進力;另一種是中央鰭/對鰭模式,通過中央鰭和對鰭的波動或者擺動運動產生推進力。

    亚愽娱乐app  在運動控制方面,仿生機器魚能實現這兩種有節律游動模式的關鍵是采用了中樞模式發生器(Central Pattern Generator, CPG)這種運動控制器。CPG是指存在于生物體內中樞神經系統的神經元電路,能夠在沒有任何感知反饋或者高級神經中樞的控制信號的情況下產生協同的節律動作。將這種運動控制器應用到機器魚上,控制機器魚的多連桿機構之間產生一定的相位差進行周期擺動,實現類似魚體波擬合的控制方法。正是因為有這種控制器機器魚游動起來才非常自然。

      “機器魚不光游起來像魚,在做其他動作的時候也要像魚,比如快速轉向。”喻俊志介紹,通過觀察魚類的快速轉向行為,我們發現魚類在快速轉向過程中,身體幾乎被限制在一個“C形管道”中。此時,魚體受到的回沖力最小,能量損耗較少。根據這個現象我們提出了虛擬C形管道的動態軌跡法。該方法應用到機器魚上,解決了機器魚的快速、精準的瞬態控制,以及瞬態與穩態的切換。

      經過這些“由外及里”的設計,機器魚才能像真實的魚一樣表現出自然、靈活的游動性能。

      監測、搜索、勘探用處多多 

    亚愽娱乐app  魚類優異的生理構造、游動機制能夠為新型水下航行器的設計提供靈感。與傳統基于螺旋槳推進的水下航行器相比,機器魚實現了推進器與舵的統一,具有高機動、低擾動、推進效率高等優點,更加適合在狹窄、復雜和動態的水下環境中進行監測、搜索、勘探及救援等作業。

      “此外利用機器魚進行的機理研究也可以幫助生物學家探索魚類更深層次的問題,幫助生物學家解決魚類游動的奧秘,”喻俊志說,例如著名的“Gray”悖論。 

    亚愽娱乐app  目前這些仿生機器人早已投入到具體工作中,2011年,仿生機器海豚水質監測系統在北京雁棲湖成功進行了水質檢測實驗。2016年,一款便攜式的水質監測仿生機器海豚系統更加智能,執行了多次多水質監測任務。例如,在玉樹禪古水庫成功在線采集了水庫PH值、電導率、溫度等重要水質參數,為玉樹市掌握水質信息和采取措施提供了基礎數據,并有效提高了水質監測效率。

      在未來,或許會看到越來越多的仿生生物在水中翱翔的身影。

    亚愽娱乐app  摘自:科技日報 2018.3.31