可“搭便車”的仿生機器鮣魚誕生 用於海洋研究

近幾年來，海底AI革命的火熱爆發促使國內外出現各式各樣的水下仿生機器人，它們在海洋世界裏各顯神通。著名紀錄片《動物世界》曾拍攝到一種海洋生物——被稱為“吸盤魚”的鮣魚，它憑藉嘴部的吸盤可吸附在鯨類、鯊魚和海龜的腹部，即使宿主快速遊動，鮣魚還是能牢牢地附着而不脱落。

然而，在觀看紀錄片之際，我們並沒有想到它居然會成為今天鮣魚仿生機器人的模板。近日，由北京航空航天大學、哈佛大學和波士頓大學聯合啓動了一項科研項目，利用3D打印技術製作鮣魚仿生機器人，來幫助對海洋生物的研究。最近一期的《科學·機器人學》（Science Robotics）雜誌封面刊登報道了相關研究成果。

目前，水下機器人的研發存在一個難題——它很難在水裏實現自主抓取的任務。而以鮣魚為模板的水下仿生機器人，它為解決這個難題打開了新的思路，因為它通過順勢吸附的行動去完成抓取。

鮣魚仿生機器人的構造

這款水下機器人具備鮣魚與吸盤兩部分，研究團隊利用3D打印和激光切割技術設計出這款仿生機器人。其中，最精巧複雜的部分就是魚頭部位的吸盤。魚頭部吸盤由三部分組成：吸盤外周的唇圈，由柔性的肌原纖維組成，主要產生負壓；吸盤內部的硬質鰭片結構，外表包裹厚度約500微米的軟組織，可由肌肉驅動產生法向微動；鰭片上的錐狀小刺結構，底部直徑約200微米，頂端為1-5微米。其內部有2000個微型的小刺，按照附着面凹進或凸起從而令吸盤能吸附在各種海洋生物的體表。

課題組和哈佛大學Robert Wood實驗室一起攻關，藉助高精度激光加工技術，加工出了尺度、形狀都和真實鮣魚結構高度近似的硬質小刺，並嵌入到複合材料的樣機鰭片中。

除此之外，為了讓鮣魚仿生機器人在水裏動起來，課題組還製作了輕量化、防水的纖維增強軟體直線驅動器，實現了鮣魚吸盤內部鰭片的微動，其幅度約為150微米。

課題組做出的仿生鮣魚軟體吸盤機器人樣機，能在光滑表面產生相當於自重約340倍、粗糙表面上自重約100倍的吸附力。

在鮣魚仿生機器人研發成功之前，文力教授曾經帶領團隊研發“軟體章魚觸手機器人”。今年3月，北航ITR軟體機器人實驗室與國際著名機器人與自動化公司FESTO合作研製的“軟體章魚觸手機器人”發佈，並在漢諾威工業展上獲得了德國總理默克爾的青睞。這種機器人能為不同形狀、大小的物體完成安全無損和有力的抓取，突破了剛性機器人的部分先天缺陷。

水下仿生機器人應用前景廣闊

主導研發這項仿生機器人的文力教授表示，“這種‘搭便車’行為最大的優點，就是能有效減少運動消耗的能量。”

“通過將仿生樣機集成到水下機器人上，實現類似 魚的遊動-吸附-脱離。這項研究工作不但從生物力學角度揭示 魚的吸附機制，同時為未來的低功耗水下仿生軟體機器人、水下吸附裝置提供了新的思路。”文力教授説道，基於生物體機制，這種機器人雖然吸附力可觀，卻不會對吸附表面造成破壞。此項應用在軍民領域都有良好的應用前景，如國防科技、水下救援、海洋生態檢測等方面，可發揮重要作用。

水下仿生機器人，彷彿是人類探索未知海洋領域的另一雙手臂。由於水下機器人的工作區是在水域內，所以市面上的產品也基本都是採用仿生技術設計。水下機器人由於具有高效的推進性能、良好的隱身性能以及操縱性能，有着廣闊的應用前景。

民用方面，它能夠應用於海洋環境研究、海洋資源探測及開發、海洋援潛救生等，也可以作為電子寵物或智能玩具進入人們家庭。

軍用方面，可用於戰時偵察、收集情報、潛艇戰與反潛戰，同時也可以作為高性能的智能化武器或武器平台，直接用於襲擊和破壞敵軍的港口、水下偵察系統、艦船、破壞敵方海上運輸線等。

除此之外，水下仿生機器人作為一種新興的水下運載器，為機械、電子、材料、能源等硬件的研製以及單機器魚控制算法、多機器魚協調控制等軟件的開發提供了全新的平台。