仿生機器魚走向實際應用

不久前，世界首條仿生鯨鯊在上海海昌海洋公園亮相。這條身長4.7米的龐然大物在水中靈活自如、以假亂真，不僅可以進行精彩的水下表演，還能搭載傳感器進行水質監測和攝影攝像等。仿生機器魚從理論研究逐步走向實際應用，帶給人們更多期待。

“見窾木浮而知為舟，見飛蓬轉而知為車”。觀察並模仿自然行為，是人類創新的重要源泉。隨着仿生機器人技術的不斷發展，像魚兒一樣在水中遨遊探索的仿生機器魚應運而生。1994年，美國以金槍魚為原型研製出世界上第一條仿生機器魚。中國首條仿生機器魚則以中華鯉魚為原型。

仿生機器魚屬於跨學科交叉領域。其外形結構的設計要用到仿生學原理，模仿魚類運動主要採用運動控制技術，而在賦予其魚類感知能力如聽覺、觸覺和視覺時，會加入仿生側線、魚眼相機等傳感器，甚至採用人工智能方法讓它們更“聰明”。此外，材料製備、智能規劃與決策等技術手段也不可或缺。

相較於傳統的螺旋槳推進水下機器人，仿生機器魚在環保、效率、機動性等方面優點顯著。它結構密封，鋰電池和驅動機構往往安裝在內部，對水體沒有污染且不易纏繞水草，能更好融入自然環境，對真實魚類不會造成傷害；它模仿魚類的擺動，具有更理想的流體力學性能，能量效率大大提高；它還能模仿魚類C形轉向、前後滾翻等複雜動作，展現出更強大的機動性能。

海洋生物種類多樣、各有天賦，比如海豚以躍水聞名，金槍魚可以高速巡遊，鮣魚在遠程航行中大多吸附在大型魚類身上以節省能量……受不同生物特性啓發，仿生機器魚也是各式各樣。近年來，我國仿生機器魚團隊研製了豐富多彩的機器魚系統，包括機器金槍魚的高速航行、機器鮣魚的自主動態吸附以及在國際上首次實現機器海豚的躍水等多項成果。

這些仿生機器魚可不是“花拳繡腿”，而是具有重要的理論意義和廣泛的實用價值。在生物研究領域，它可以輔助研究魚類遊動機理，探索魚羣效應等魚遊生物學現象；在工程領域，它可以在狹窄或危險的水下環境中開展水質監測、救撈、考古、設備檢修、海洋地圖測繪、海洋生物拍攝、可燃冰探測等工作。它還可以在海洋館中代替珍稀野生魚類以供科普。一些企業也從中獲得啓發，比如豐田汽車利用箱魨構造生產車型。

總體來看，仿生機器魚在仿生基本原理和系統集成等方面發展很快，各類成果紛紛亮相。不過，受限於製作材料和驅動機構，目前仿生機器魚的運動性能與真魚相比仍有一定差距，包括長時巡遊速度、瞬間爆發力等，其感知技術水平也相對有限。此外，海洋環境錯綜複雜，對於穩定性、可靠性和智能性有着極高要求，目前大多仿生機器魚尚不具備在惡劣海洋環境下開展作業的能力。

未來，隨着材料學、控制學以及人工智能的發展，期待仿生機器魚作為一種新型海洋裝備在高仿生特性、高運動特性、強智能特性等方面進一步提高技術水平，為人類認識、探索和利用海洋發揮更大作用。

（作者為北京大學工學院教授）