如果看到一條遊動的魚，你會想到什麼？也許有人會聯想到美食——清蒸的會非常鮮美，紅燒的口感應該會更加香。
然而，在中科院自動化所仿生機器魚課題組，組員們給出的答案卻超出了日常生活：“看見尾鰭的一擺一動，我們想到的是如何能進一步改進控制演算法，在仿生魚身上更完美地實現魚類的波動推進方式。”
“用智慧演算法來理解魚之樂”
仿生機器魚的研究工作由複雜系統控制與管理國家重點實驗室研究員譚民組織和指導，多名研究員、副研究員和在讀博士生、碩士生共同合作開展。
課題組成員、研究員王碩說：“仿生魚作為課題組的研究內容，已經長達十餘年之久。最早是在2001年，譚民老師和北京航空航天大學教授王田苗交流時，談到是否可以將研究所智慧控制演算法應用於工業設計中。受其啟發，課題組開始了仿生魚的研究。”2001年算是探索起步階段，這一時期主要是對魚類的跟蹤模仿。
2003年前後，課題組的研究進入到一個新的階段：三維仿生運動階段。為了提高任務的環境適應性，需要機器魚具有水中的三維運動能力，也就是需要機器魚除了推進外還要能夠上浮下潛，甚至維持某一深度。
隨後，課題組在已有多關節仿生機器魚的基礎上，總結設計了一種新型機器魚，基於改變胸鰭攻角法，完成仿生機器魚的俯仰和浮潛運動，設計的機器魚可實現俯仰和浮潛，響應迅速，動態特性好。
2004年，課題組提出一種基於重心改變法的仿生機器魚俯仰姿態與深度控制方法，用於實現機器魚水中的浮潛運動。據介紹，這種方法利用一種可調整位置的配重塊結構，以改變機器魚的重心位置，進而實現機器魚俯仰姿態的調節。
經過十多年的堅持和攻堅，課題組在對魚類深入觀察的基礎上，結合仿生學、機器人學、材料學、機械學和智慧控制，深入探討了魚類遊動的機制，形成了身體/尾鰭推進、胸鰭推進、子母式、長鰭、兩棲、海豚式推進等多個系列，聚焦高機動、高遊速兩大指標，目前已實現利用多模式控制技術將多種效能整合到高效能機器魚平臺。
據課題組成員介紹，他們所研製出的多仿生機器魚群體協作與控制仿生機器魚，是參照魚類遊動的推進機理，利用機械、電子元器件和智慧材料實現水下推進的運動裝置，具有低噪聲、高效率、高機動性、高隱蔽性等特點。
“在魚類身上找尋前行的新力量”
隨著科技的深入發展和產業、軍事等領域應用需求的拉動，仿生機器學研究越來越受到關注。“透過研究、學習、模仿的仿生學方法來複制和再造生物的形態、結構、功能、工作原理及控制機制等已成為機器人學的一項重要研究內容。”王碩說。
魚類作為自然界最早出現的脊椎動物，經過億萬年的自然選擇，進化出了非凡的水中運動能力，其游泳技巧遠遠超出人類現有的航海技術。和普通的水下推進器相比，魚類的遊動具有高效率、高機動性、低擾動的運動特點和對複雜生存環境的高度適應性等特點。
為了適應新的需要，國內外科學家都在探索不同於螺旋槳推進的其他高效率、機動靈活的水下推進方式。王碩表示，仿生機器魚作為魚類推進機理和機器人技術的結合點，為研製新型的水下航行器提供了一種新思路，具有重要的研究價值和應用前景，可用於狹窄或危險水下環境中的監測、軍事偵察、水下救撈、水下考古、海洋生物觀察、水下裝置檢修等工作。
目前，仿生機器魚系統的研究在理論和應用等方面已開展了很多研究工作，研究已經表明波動推進方式具有很多獨特的優勢。課題組成員介紹說，一些發達國家很重視仿生魚的研究，其中美、日均取得一些成果，日本三菱重工就研發出用於觀賞的機器魚，市場售價達到每條1000美元。目前，自動化所在這方面的研究已經積累十餘年的時間，研發水平也處於世界的前列。
仿生機器魚研究是將課題組原來積累較為深厚的智慧演算法與仿生學等其他學科知識進行融合，從而開闢了一個嶄新的研究方向，經過十多年的持續研究，取得了一系列的研究成果，並還將在已有的研究基礎上對減阻、減重、動力、演算法等諸多方面進行技術攻關，提出更多創新性的理論成果。
王碩指出：“波動推進是一種不同於螺旋槳的推動方式，這種深藏在自然界的力量值得我們投注心力，需要人們潛心去研究，將為水下航行提供一種新的前行力量。”
“像魚一樣自由自在地暢遊”
關於仿生魚的研究，離不開對魚類的觀察，或者說，離不開針對各種魚類的相關研究。
喻俊志於2006年開始進行海豚相關研究。多年來，一直潛心於觀察海豚的各種動作。“在所有能夠躍水的水生動物中，海豚採用背腹式推進，即在豎直面內上下拍動尾鰭，能夠得到更佳的俯仰機動能力，更適於在水面附近做上下翻飛的動作，具有比其他魚類更小的躍水門限速度。”
根據這一觀察結果，喻俊志和同事們一起開始著手研製可以躍出水面的機器海豚。這一目標經過多年的努力，於今年夏天取得了階段性進展。課題組基於攻角的機器海豚快速遊動控制演算法，實現了1.5倍體長的最高直線遊速，並在國際上首次實現了機器海豚的躍水：機器人身體完全躍出水面，並完整復現“出水——空中滑行——再入水”這一生物躍水過程。
“現在對於海豚已經有了一種特殊的感情，週末有時間的話，就會帶著孩子一起到海洋館看海豚表演，觀賞海豚躍出水面的美麗瞬間。” 喻俊志說。
儘管課題組已經取得了不少的成果，但在和課題組成員的交流中，他們無不說到“這些都還只是基礎階段的研究”。
喻俊志坦言：“要想實現像魚類一樣自由自在地遊動，還有很多的困難要面對，畢竟從理論到應用還要面對更為複雜的環境考驗，每一次成功都是建立在無數次嘗試和失敗的基礎上。而每一次克服失敗之後，就又會面對新的問題，在這樣一個過程中，自己總是捨不得停下來，不知不覺便堅持了十餘年。”
“子非魚，焉知魚之樂？”課題組成員潛心於仿生魚的研製，用大量的心血和精力投注在各類魚上。在他們的心裡，如期實現仿生魚的各種動作的過程就如同魚兒在暢遊，他們也自由自在地徜徉在智慧演算法的世界裡。
（原載於《中國科學報》 2014-09-22 第8版 平臺)
如果看到一條遊動的魚，你會想到什麼？也許有人會聯想到美食——清蒸的會非常鮮美，紅燒的口感應該會更加香。
然而，在中科院自動化所仿生機器魚課題組，組員們給出的答案卻超出了日常生活：“看見尾鰭的一擺一動，我們想到的是如何能進一步改進控制演算法，在仿生魚身上更完美地實現魚類的波動推進方式。”
“用智慧演算法來理解魚之樂”
仿生機器魚的研究工作由複雜系統控制與管理國家重點實驗室研究員譚民組織和指導，多名研究員、副研究員和在讀博士生、碩士生共同合作開展。
課題組成員、研究員王碩說：“仿生魚作為課題組的研究內容，已經長達十餘年之久。最早是在2001年，譚民老師和北京航空航天大學教授王田苗交流時，談到是否可以將研究所智慧控制演算法應用於工業設計中。受其啟發，課題組開始了仿生魚的研究。”2001年算是探索起步階段，這一時期主要是對魚類的跟蹤模仿。
2003年前後，課題組的研究進入到一個新的階段：三維仿生運動階段。為了提高任務的環境適應性，需要機器魚具有水中的三維運動能力，也就是需要機器魚除了推進外還要能夠上浮下潛，甚至維持某一深度。
隨後，課題組在已有多關節仿生機器魚的基礎上，總結設計了一種新型機器魚，基於改變胸鰭攻角法，完成仿生機器魚的俯仰和浮潛運動，設計的機器魚可實現俯仰和浮潛，響應迅速，動態特性好。
2004年，課題組提出一種基於重心改變法的仿生機器魚俯仰姿態與深度控制方法，用於實現機器魚水中的浮潛運動。據介紹，這種方法利用一種可調整位置的配重塊結構，以改變機器魚的重心位置，進而實現機器魚俯仰姿態的調節。
經過十多年的堅持和攻堅，課題組在對魚類深入觀察的基礎上，結合仿生學、機器人學、材料學、機械學和智慧控制，深入探討了魚類遊動的機制，形成了身體/尾鰭推進、胸鰭推進、子母式、長鰭、兩棲、海豚式推進等多個系列，聚焦高機動、高遊速兩大指標，目前已實現利用多模式控制技術將多種效能整合到高效能機器魚平臺。
據課題組成員介紹，他們所研製出的多仿生機器魚群體協作與控制仿生機器魚，是參照魚類遊動的推進機理，利用機械、電子元器件和智慧材料實現水下推進的運動裝置，具有低噪聲、高效率、高機動性、高隱蔽性等特點。
“在魚類身上找尋前行的新力量”
隨著科技的深入發展和產業、軍事等領域應用需求的拉動，仿生機器學研究越來越受到關注。“透過研究、學習、模仿的仿生學方法來複制和再造生物的形態、結構、功能、工作原理及控制機制等已成為機器人學的一項重要研究內容。”王碩說。
魚類作為自然界最早出現的脊椎動物，經過億萬年的自然選擇，進化出了非凡的水中運動能力，其游泳技巧遠遠超出人類現有的航海技術。和普通的水下推進器相比，魚類的遊動具有高效率、高機動性、低擾動的運動特點和對複雜生存環境的高度適應性等特點。
為了適應新的需要，國內外科學家都在探索不同於螺旋槳推進的其他高效率、機動靈活的水下推進方式。王碩表示，仿生機器魚作為魚類推進機理和機器人技術的結合點，為研製新型的水下航行器提供了一種新思路，具有重要的研究價值和應用前景，可用於狹窄或危險水下環境中的監測、軍事偵察、水下救撈、水下考古、海洋生物觀察、水下裝置檢修等工作。
目前，仿生機器魚系統的研究在理論和應用等方面已開展了很多研究工作，研究已經表明波動推進方式具有很多獨特的優勢。課題組成員介紹說，一些發達國家很重視仿生魚的研究，其中美、日均取得一些成果，日本三菱重工就研發出用於觀賞的機器魚，市場售價達到每條1000美元。目前，自動化所在這方面的研究已經積累十餘年的時間，研發水平也處於世界的前列。
仿生機器魚研究是將課題組原來積累較為深厚的智慧演算法與仿生學等其他學科知識進行融合，從而開闢了一個嶄新的研究方向，經過十多年的持續研究，取得了一系列的研究成果，並還將在已有的研究基礎上對減阻、減重、動力、演算法等諸多方面進行技術攻關，提出更多創新性的理論成果。
王碩指出：“波動推進是一種不同於螺旋槳的推動方式，這種深藏在自然界的力量值得我們投注心力，需要人們潛心去研究，將為水下航行提供一種新的前行力量。”
“像魚一樣自由自在地暢遊”
關於仿生魚的研究，離不開對魚類的觀察，或者說，離不開針對各種魚類的相關研究。
喻俊志於2006年開始進行海豚相關研究。多年來，一直潛心於觀察海豚的各種動作。“在所有能夠躍水的水生動物中，海豚採用背腹式推進，即在豎直面內上下拍動尾鰭，能夠得到更佳的俯仰機動能力，更適於在水面附近做上下翻飛的動作，具有比其他魚類更小的躍水門限速度。”
根據這一觀察結果，喻俊志和同事們一起開始著手研製可以躍出水面的機器海豚。這一目標經過多年的努力，於今年夏天取得了階段性進展。課題組基於攻角的機器海豚快速遊動控制演算法，實現了1.5倍體長的最高直線遊速，並在國際上首次實現了機器海豚的躍水：機器人身體完全躍出水面，並完整復現“出水——空中滑行——再入水”這一生物躍水過程。
“現在對於海豚已經有了一種特殊的感情，週末有時間的話，就會帶著孩子一起到海洋館看海豚表演，觀賞海豚躍出水面的美麗瞬間。” 喻俊志說。
儘管課題組已經取得了不少的成果，但在和課題組成員的交流中，他們無不說到“這些都還只是基礎階段的研究”。
喻俊志坦言：“要想實現像魚類一樣自由自在地遊動，還有很多的困難要面對，畢竟從理論到應用還要面對更為複雜的環境考驗，每一次成功都是建立在無數次嘗試和失敗的基礎上。而每一次克服失敗之後，就又會面對新的問題，在這樣一個過程中，自己總是捨不得停下來，不知不覺便堅持了十餘年。”
“子非魚，焉知魚之樂？”課題組成員潛心於仿生魚的研製，用大量的心血和精力投注在各類魚上。在他們的心裡，如期實現仿生魚的各種動作的過程就如同魚兒在暢遊，他們也自由自在地徜徉在智慧演算法的世界裡。
（原載於《中國科學報》 2014-09-22 第8版 平臺)