郝欣愷

摘 要：為了探討與分析水下仿生機器人未來的發(fā)展方向和發(fā)展趨勢，本文對國內(nèi)外研究學(xué)者對水下仿生機器人的研究成果進行分析與總結(jié)。本文對水下仿生機器人的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用情況進行分析，并探討了未來水下仿生機器人的發(fā)展趨勢。研究結(jié)果表明，本文分析的水下仿生機器人未來發(fā)展方向和發(fā)展趨勢具有可信度，能夠給其他研究關(guān)于水下仿生機器人的研究學(xué)者提供參考。

關(guān)鍵詞：水下仿生機器人;研究現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢

1.前言

浩瀚無邊的海洋不僅僅涵蓋著人類文明的精神寶藏，也蘊含著豐富的自然財富，比如，海洋生物、海底礦產(chǎn)等。隨著，人類科學(xué)文明的不斷進步，人類研究并開發(fā)了水下機器人，其成為了人類探索深海奧秘和挖掘海洋寶藏的重要工具，更是人類從事海洋實踐活動不可缺少的主要工具。

水下仿生機器人，指的是采用各種信息科學(xué)技術(shù)，比如，人工智能技術(shù)、機械設(shè)計技術(shù)、微電子技術(shù)等，其模仿了海洋運動生物的運動機理，是一種運動裝置。

2.水下仿生機器人的研究現(xiàn)狀

上個世紀(jì)末，人類第一次研究并制作出以金槍魚為仿生對象的水下機器人，此后，仿生水下機器人成為了學(xué)術(shù)界的熱門研究課題，并探討其在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用，比如，水質(zhì)檢測、軍事偵察、教育娛樂和探測避障，如圖1。

2.1 水質(zhì)監(jiān)測

2012年，歐洲研究人員觀測到魚群協(xié)調(diào)配合的現(xiàn)象，他們以金槍魚作為仿生對象進行了SHOAL項目，研發(fā)了多條體長為1.5m的仿生機器魚并進行實驗，研究結(jié)果表明，SHOAL項目研發(fā)的仿生機器魚能夠擴大水質(zhì)檢測范圍[1]。

2014年，美國大學(xué)研究團隊共同研發(fā)了一款水下滑翔機器魚，并將這款機器魚取名為“Grace”，這款機器魚區(qū)別于傳統(tǒng)仿生機器魚，其具有優(yōu)秀的滑翔功能，能夠節(jié)省能量增大水質(zhì)檢測的作業(yè)范圍，同時，“Grace”被放入密歇根州鹿蹄草湖進行了水質(zhì)樣本采集實驗和水質(zhì)檢測實驗。實驗研究結(jié)果表明，該機器魚能夠在節(jié)約能源的基礎(chǔ)上擴大水質(zhì)檢測范圍。

2.2 軍事偵察

2014年，美國海軍與波士頓動力聯(lián)合研究與開發(fā)了一款仿生水下機器人，他們以金槍魚作為仿生對象，將其命名為“Silent Nemo”，該仿生水下機器人體長1.5m，重量約為45kg，其前進的動力主要依靠身體關(guān)節(jié)和尾鰭的擺動，并能夠靈活地調(diào)整前進方向[2]。

2.3 教育娛樂

2008年，韓國全南大學(xué)研究與制作了一款面向娛樂的仿生機器人，該款機器人以海豚作為仿生對象，該仿生機器人具有多重功能，其不僅僅能夠張開嘴部和閉合嘴部，其還能夠通過尾部擺動來濺起水花，并具有噴水功能，能夠?qū)崿F(xiàn)人機互動。

2009年，中國科學(xué)院研究與開發(fā)了一款小型仿生水下機器人，其以海豚作為仿生對象，其目的在于面向大眾科普知識與娛樂，該機器屬于小型仿生水下機器人，體長僅為0.56m，尾部主要有兩個部分構(gòu)成，分別是俯仰關(guān)節(jié)和偏航關(guān)節(jié)，該機器海豚的頭部內(nèi)置重心調(diào)節(jié)設(shè)備，能夠科學(xué)高效地實現(xiàn)浮潛運動，此外，該機器海豚所在的水池邊裝有上位機，能夠?qū)崿F(xiàn)該仿生水下機器人與游客進行互動。

2.4 探測避障

2015年，臺灣學(xué)者Yung-Lien Wan設(shè)計并研發(fā)了一款新穎的仿生機器人，其以海豚作為仿生對象，具有自主運動功能。這款仿生機器人的尾部分為兩個部分，分別是俯仰關(guān)節(jié)與偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，前者能夠控制仿生機器人的前進快慢，而后者能夠控制仿生機器人的運動方向。此外，該款仿生機器人還能夠自主進行浮潛運動，其主要依靠改變該機器人的重心，從而實現(xiàn)海豚俯仰角的改變。同時，該款仿生機器人還能夠捕捉實時圖像，若運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法，就能夠?qū)υ摲律鷻C器人捕捉到的圖像信息進行分析與處理，從而了解實時情況，進而躲避障礙物，因此，該仿生機器人還具有避障功能。

3.水下仿生機器人研究方向與發(fā)展趨勢

水下機器人已經(jīng)能夠模仿水中生物的形態(tài)、動作和功能，并具有多重優(yōu)點，比如，靈活性強、環(huán)保性高、能量利用率高，同時，本文根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)外研究學(xué)者對水下仿生機器人的分析與研究，探討水下仿生機器人研究方向與發(fā)展趨勢。

3.1 水下仿生機器人驅(qū)動裝置優(yōu)化

目前，大部分的仿生機器人都是采用電機驅(qū)動方式，水下方式機器人也是如此，但是，隨著科學(xué)技術(shù)水平不斷提高，各種新型智能材料開始被運用到人們的生產(chǎn)和生活當(dāng)中，比如，形狀記憶合金、壓電陶瓷、人工肌肉等，這些新型智能材料能夠取代傳統(tǒng)的電機驅(qū)動模式，還能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動裝置的便捷化和輕量化，同時還能夠科學(xué)高效地擴張有效利用空間。

3.2 水下仿生機器人的運動機理完善化

目前，越來越多的專家和研究學(xué)者開始對深海運動生物的游動機理進行深入分析，并將深海運動生物的游動機理應(yīng)用到驅(qū)動裝置的優(yōu)化策略當(dāng)中，并結(jié)合全新的耐壓機制，這能夠使得未來的仿生水下機器人深潛成為可能，也能夠有效地提高水下仿生機器人的運動速率，實現(xiàn)水下仿生機器人運動的靈活性和美觀性[3]。

3.3 水下仿生機器人智能性提升

隨著信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、自動控制技術(shù)等也正處于飛速發(fā)展階段，因此，越來越多的研究學(xué)者試圖將這些信息科學(xué)技術(shù)運用到水下仿生機器人領(lǐng)域當(dāng)中，以期水下仿生機器人的智能性能夠不斷提高，并具備多重智能功能，比如，信息交互能力、環(huán)境感知能力、避障能力等。

3.4 群體水下仿生機器人的發(fā)展

眾所周知，眾人拾柴火焰高，在海洋里，一條魚的力量也許很微弱，但是一群魚的力量就很強大，當(dāng)魚類聚集在一起時，能夠表現(xiàn)出強大的群體力量，并發(fā)揮強大的團隊合作精神，具體體現(xiàn)在尋找食物、逃避敵害等方面。同樣地，單個仿生水下機器人的活動范圍與能力具有局限性，而人類正在嘗試讓仿生水下機器人在復(fù)雜環(huán)境下進行各種繁雜艱巨的任務(wù)，比如，海洋監(jiān)測、軍事觀察等，因此，在未來，群體水下仿生機器人將會是未來研究發(fā)展的主要趨勢。

4.結(jié)論

目前，水下仿生機器人具有多重優(yōu)點，分別是高機動、低擾動、無污染、高效性，這也使得水下仿生機器人在不久的將來將會成為水下航行器中的一大重要分支，此外，越來越多的研究學(xué)者會對水下仿生機器人進行更進一步的分析與研究，并探討水下仿生機器人的應(yīng)用領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1]王揚威，王振龍，李健.微小型水下仿生機器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].微特電機，2010，38（12）：66-69.

[2]閆勇程，王揚威，蘭博文，趙東標(biāo).水下仿生機器人CPG控制方法研究現(xiàn)狀綜述[J].微特電機，2017，45（11）：72-77.

[3]王延杰，郝牧宇，張霖，駱敏舟.基于智能驅(qū)動材料的水下仿生機器人發(fā)展綜述[J].水下無人系統(tǒng)學(xué)報，2019，27（2）：123-133.