導讀
仿生機器魚，不僅僅長得像魚，還有跟魚相似的功能，而且在集體行動時也湧現出集群現象。北京大學工學院謝廣明團隊，基於人工側線系統的仿生感知技術，讓仿生機器魚能夠感知周圍流場環境的變化，從而估算自身與流體的相對速度，以及和同伴之間的相對位置關係。本文是對謝廣明教授專訪。
來源|人工智能人物
為什麽要研究像魚一樣的機器人？
仔細想一想，地球是個水球，70%被水覆蓋，這個水世界的主宰是誰呢？其實是魚類，魚類最適應水環境。物競天擇，適者生存，經過不斷的淘汰，到現在人類命名的魚也超過3萬多種，而且還不斷有新的物種被發現。這些魚形態各異，有的適合在淺灘；有的可以深到幾萬米；有的機動靈活；還有的可以長途奔襲遊上萬公里。
正是因為魚有這些優點，引起了我們科技工作者的注意。希望以它們為師，去研究、將來製造像魚這樣的機器。
我認為，水下仿生機器人的研究具有重大意義，應用前景非常廣泛。同時，水下環境非常複雜，仿生魚在水下的供能、通信等方面的能力非常有限。我們的目標是研究出機器魚群，所以既要注重單體的研發，也要注重群體技術的研發，我們希望機器魚群可以解決一些實際問題。
征服世界兩極的機器魚
機器魚“史話”
相比魚，機器魚的歷史就短了很多。從第一條機器魚誕生到現在，也就二三十年的光景。雖然時間短，但是這個技術發展得非常快。現在國內外同行發布的文章、專利等一些東西，加起來也不下幾十種了。
很多特點鮮明的魚或者咱們能想到的魚，基本都被作為仿造對象。世界上第一條仿生機器魚，它1994年誕生在美國麻省理工學院。這個魚大概有一米二長，遊速最快可以達到每秒兩米。
中國的機器魚誕生也很快，大約在2000年前後，是北航和中科院自動化所聯合研發的微小型仿生機器魚。這個魚要比美國那條魚要小一些，身長大概有半米左右，遊速也能夠達到每秒半米左右。
螺旋槳潛航器的不足
研究這種仿生機器魚有什麽好處呢？其實在研究仿生的機器魚之前，人們已經研發了很多水下的機器人，或是水下潛航器，水下航行器，名字有很多，但它基本上都是以一種螺旋槳的方式來推進。人們在用這些機器人去做一些實際事情的時候，就感覺不盡人意。
我們將問題歸結為三點：
第一，螺旋槳推進的效率太低了，它可能頂多就是40%到60%這個程度，而魚基本上都要超過80%。利用效率高的話能量就節省，可以乾更多事情。
第二，螺旋槳推進轉起彎來很費勁。它是一個很大的轉彎半徑，很不靈活，機動性很差。而真正的魚類幾乎可以原地轉彎，上下亂竄，非常靈活。
第三，在軍事背景上，螺旋槳旋轉很容易被水下聲納掃到、探測到，那你就被敵人發現了。這也是為什麽很多潛水艇到了工作地方之後，它要把所有的東西都關掉，保持靜默。魚沒有螺旋槳就沒有這個問題。
所以我們這些科技工作者就希望能夠把生物界的優點學過來，讓我們的水下機器人也具備這些優勢。
仿生的關鍵：功能
我們研究魚，不是說要把它的外表做得很像，是要追求它的功能。即使外表做的很像，但它實際的內部結構如果設計得不合理，遊起來效果很差，那麽這種仿生就失去了意義。就像咱們參觀蠟像館，很多名人的蠟像很逼真，但他們沒有其他用途，只能用來滿足你和你的偶像合個影，其他什麽乾不了。我們要做機器人，是真的希望把它能夠在水中運動和其他一些功能學過來。
我們一開始以中華錦鯉為仿生對象做機器魚，最初我們也是刻意先追求它運動起來像魚，而不是說外觀像魚。我們挑了一條外觀非常漂亮的錦鯉，把它低溫速凍給凍硬了，趕緊拿三維掃描把它外觀的數據測下來，構成數據模型。之後再用3D列印的技術，把它們整個列印出來，這樣就做了一個仿生的殼體。
一開始我們在實驗室的小水池，頂多兩三米大，根本遊不開，一些性能測不了。剛好我們比較幸運，北大有個未名湖，我們就把這個魚扔到未名湖裡遊一遊。現在大家一般都會養個寵物，養了寵物要去遛的，那我們就去遛魚，去未名湖遛魚是我們實驗室的一個保留節目。
2012年，我們這個魚遊到了北極。又過了兩年，我們的魚成功實現了南極的首航。遺憾的是這魚雖然是遊了，但不是我親自帶著去的。這是國家科考的行動，是委託科考隊員把魚帶過去。所以說是我的機器魚代我去征服了世界的兩極。
仿箱魨機器魚與側線感知
箱魨魚有什麽特別？
近幾年，我們主要研究箱魨魚的仿生。箱魨實際上分布非常廣泛，太平洋、印度洋、大西洋都有，它是在珊瑚礁這種很複雜的環境裡生活。珊瑚礁枝枝叉叉很多，水流有時候很亂很急。但這魚很瀟灑，它通過胸鰭與尾鰭的配合，可以在這種複雜的環境下自由地遊來遊去，不會碰到自己、傷到自己，機動性非常好。箱魨的骨骼是內凹的，不是鼓著的。
箱魨的英文名叫Box fish，盒子魚，因為它看著就像一個盒子。它的骨頭是硬的，把身體撐在那塊兒形成一個盒子。科學家研究指出，通過流體建模進行數值仿真、進行流體實驗，箱魨這樣一種奇特的外觀確實有助於它在複雜的水環境下更穩定。我們將來可以在裡面裝很多人為的一些傳感器，或者執行操作的東西，那就可以更便於應用。因此我們認為它是最佳的仿生對象。
我們開發完成的樣機有一對獨立驅動的胸鰭和擺動的尾鰭，胸鰭和尾鰭相互配合讓機器魚可以像真魚一樣遊動。我們的仿生魚可以前進、後退、上升、下降，我們接下來要實現前滾翻、後滾翻、側滾，通過胸鰭和尾鰭的相互配合來實現一些複雜的動作。這樣的話，將來到水下執行任務的時候，機器魚就可以在複雜的環境中靈活的運動。
突破：仿生“側線系統”
魚類有一個特殊的器官，叫側線系統。就在側面以及它的面部分布著一些組織器官，這些組織器官專門對水流產生感覺。有這個感覺之後，它作用很大，不光是能感覺水流的變化，甚至能夠感覺到障礙物，感覺到敵人，感覺到食物。側線系統就是它們的獨門秘笈。
我們就想，如果機器魚也有這個技術那多好，所以我們在機器魚上集成了壓傳陣列，根據側線系統在面部和身體兩側各安裝三個壓傳。現在我們能夠通過壓傳道把魚跟水流相對的方向、魚相對的流速測出來。我們還想讓仿生魚通過側線系統來感知與夥伴的位置關係，如果我們在前面擺一條機器魚，它的擺動會產生一些渦，後面的魚就能感受到它和前面這條魚的相對的前後距離、左右距離，這樣的話我們也能夠做到這種仿真感知的能力。有助於維持魚群的群體不變性，保持兩條魚位置關係的穩定。我們希望把側線系統與之前的的運動功能結合起來形成閉環反饋，使仿生魚既能運動又能感知環境。
通信組網與群體仿生
仿生魚在水下還要面對通信問題，機器魚群需要夥伴之間進行溝通。水下通信一直是限制水下機器應用的一個很大的瓶頸，所以人們也開始嘗試一些傳統的比如光通信、聲納通信，但是效果都不是很理想。能不能有新的方式來實現近距離通信？啟發來自生物界，我們找到一種弱電魚，可以調整身體的機能，讓自己身體形成一個電場，這個電場是變化的，可以把信號加載上去來傳遞給它的夥伴。
我們能不能賦予機器魚這個功能呢？所以我們也給機器魚設計了產生電場的電路。我們開始建立模型並進行理論分析，設計相應的電路系統，給仿生魚安裝發射電極和接收電極，最終成功實現了仿生機器魚的新水下通信方式。
從個體仿生到群體仿生
我們研究的基本思想就是向大自然學習，以大自然為老師，對於一些比較好的生物特性，我們可以嘗試用於仿生機器人。個體仿生主要是實現高機動性、高效率的運動，通過通信組網我們可以實現群體仿生。
這是國外水下攝影大展的獲獎作品，這些魚為什麽有這樣的行為？這並不是因為好玩或是娛樂，唯一的目的是在惡劣、有限的資源環境下生存下去。很多電腦專業的可能都知道粒子群優化算法，而在生物界，通過群體的方式讓整個種群延續下去這種行為是一個很值得研究的問題，即群體智能。群體智能也是人工智能很重要的研究分支，生物界那些個體能力很弱的群體智能很值得研究。所以我還是想強調不僅要關注個體仿生也要關注群體仿生。
不光是單個魚可以做我們的老師，整個魚群也可以給我們啟發，也可以做我們的老師。這就促使我由原來的“個體仿生”進化到“群體仿生”。也就是說我們從單個魚怎麽遊得好，感知得好，通信得好，還可以讓一群魚遊得好。
魚群有些特點：首先，這種形成魚群的魚，它的個體肯定很弱小，智商很低，能力很有限。其次，這一群魚在一起遊，其實沒有一個統一的管理者或者長官，它們就是自發地就這麽遊了。我們可以想象一下，假設你突然讓其中一條魚消失，你會發現這個魚群根本不知道這條魚沒了。
另外，這些魚群小的幾十條，大的可能幾千條上萬條。但是每條魚它不用很累，不用知道其他魚的狀況。假如你是一條魚，咱們一群魚團簇著，如果把其他的資訊都告訴你，你其實也處理不了。換成魚群，每條魚隻關心周圍的情況，鄰居的情況，然後根據這些情況做出決策，整體仿佛就擁有了群體智能。
所謂群體智能就是說個體智能很低，但是它們通過相互協作，從整體層面上能機甲狂潮出很強的能力。這種智能也值得我們學習，值得我們研究。
機器魚的廣闊應用前景
那機器魚到底都有什麽可應用的呢？其實這個回答是很顯然的，我們舉幾個典型的例子：
例如，水下資源勘探或者水下科學考察。我們都看到過這樣的新聞，潛水員去一個水庫進行水下考古，結果不幸遇難了，失蹤之後就一直找不到。這就是一個問題，你派人下去，水火無情，可能就有危險。以後我們不用人下去，派機器魚下去就行了，我們帶著相應的設備，把相應的信號采上來就可以了。
再比如，大家都喜歡吃各種各樣的海鮮，吃是很好吃，但得之不易。像海參，它就是潛水員穿著很簡陋的潛水服，拿著個網兜，潛到幾十米的又冷又黑的水下迅速撿一些上來。不光是當時難受，這些人之後會得職業病，終身受罪。所以國家自然基金委舉辦完成了水下抓取比賽項目，也是希望我們派機器人下去，來代替這些人，解放這些人。還有不得不提的，就是軍事方面應用。因為魚的隱蔽性高，以後設計一個機器偵查魚，悄悄遊到岸邊，可以進行偵查而不被發現。
所以這個應用領域非常廣泛，如果將來這個技術成熟了，以後整個大洋裡，除了有真的各種各樣的魚、海洋生物，也會有我們的機器魚、機器海豚、機器水母等仿生機器人。
道法自然
我們在北大未名湖測試過我們的仿生魚，當機器魚在水裡遊時，真魚會被吸引跟在後面，機器魚對真魚的活動產生了影響。這是一個很有意思的現象，將來或許可以研究用仿生機器人去影響自然界，構成一種機器和生命的混合系統，達到一種道法自然的境界。
所謂道法自然是什麽意思呢？本身自然除了存在這些客觀的物質之外，它還有背後演化的客觀規律。我們去利用自然的時候，希望能夠更接近自然的規律去影響它、利用它。比如現在咱們抓魚，一網下去，管它什麽魚呢，撈完再說。以後我們可以不再這麽捕了，我派機器金槍魚下去，專門把金槍魚引到一個地方，我們就抓這些魚，那多好。
我個人也有一個小夢想，很多人可能看過海洋館的動物表演，我們看得很開心，但是你想沒想過，這些動物開不開心？有些研究者發現，這些動物由於經常表演得了憂鬱症，甚至自殺了。我們憑什麽把快樂建立在動物的痛苦之上？所以我的小夢想就是，將來我們去研發很多這種機器動物代替它們，把它們放歸自然。現在不知道能不能實現，但我會盡力。
研究者介紹
主要研究方向：複雜系統動力學與控制、智能仿生機器人、多機器人系統與控制，發表學術論文兩百餘篇、被SCI收錄超過70篇、EI收錄超過100篇、發明專利授權10余項。2015年他憑借“智能仿生機器人與多機器人協作的關鍵性技術研究”成果，榮獲第五屆吳文俊人工智能科學技術創新獎二等獎，同年“網絡化動態系統的分析與控制項目成果獲得教育部自然科學獎一等獎，2017年該項目再次斬獲國家自然科學獎二等獎。
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