江南可采蓮，蓮葉何田田。魚(yú)戲蓮葉東，魚(yú)戲蓮葉西……
早正在約兩千年前，魚(yú)兒正在蓮間游玩的生動(dòng)景色就被刻畫(huà)正在詩(shī)歌中，撒布至今。
當(dāng)下，正在北京大學(xué)未名湖里，也是有一群倏爾遠(yuǎn)逝、來(lái)往翕忽的魚(yú)兒，領(lǐng)頭的那只體型較著大過(guò)搭檔，靈敏地?cái)[動(dòng)著身體。眼尖的門(mén)生越看越覺(jué)過(guò)失勁兒，獵奇地將它從水里撈出，掂正在手里，才發(fā)覺(jué)它并不是新鮮之魚(yú)，反而是由冰冷的機(jī)械零件組裝的仿真魚(yú)。
二十余年來(lái)，北京大學(xué)工學(xué)院傳授謝廣明團(tuán)隊(duì)聚焦仿生機(jī)械人，不息探索機(jī)械人水下功課范疇，科研成果頗豐。而被他經(jīng)心“哺育”的機(jī)械魚(yú)，不只能夠像真魚(yú)一樣，正在水里游動(dòng)、感知環(huán)境、互相交換，還被高新科技給予了很多“特異功能”——
安上攝像頭便是一臺(tái)水下探測(cè)儀，能夠清楚地為水下環(huán)境攝影，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；裝上抓手就可以取代潛水員，下潛到人類(lèi)沒(méi)法抵達(dá)的深度，即便正在卑劣混濁的水下環(huán)境中，還能夠經(jīng)過(guò)觸覺(jué)感知本領(lǐng)抓取物體；還能正在魚(yú)群中“偷天換日”，引誘魚(yú)群游向合適的水域……
謝廣明
未名湖上演“遛魚(yú)”大戲
明麗的秋天午后，陽(yáng)光灑正在北京大學(xué)未名湖上，一陣金風(fēng)抽豐拂過(guò)，水面出現(xiàn)粼粼波光。岸邊堆積的人群中，謝廣明手拿一臺(tái)小型遙控器，目光緊盯湖面，手里一直撥弄著。正在他的操控下，一條玄色的機(jī)械魚(yú)自若地正在水中上浮下潛、進(jìn)步撤退退卻，還淘氣地將漂浮的落葉頂出水面，一番花腔行動(dòng)，引來(lái)浩瀚師生圍觀。
“快看，那幾條魚(yú)還真游過(guò)來(lái)了！”機(jī)械魚(yú)的“扮演”還吸引了正在湖中生活的錦鯉，游來(lái)一探畢竟。幾條魚(yú)獵奇地圍著這只“泥足巨人”轉(zhuǎn)了一圈又一圈，還不時(shí)謹(jǐn)小慎微地“啄”上一口。不一會(huì)兒，一支壯觀的魚(yú)群大隊(duì)形成了，正在機(jī)械魚(yú)的率領(lǐng)下，徐徐游向遠(yuǎn)處。
如許風(fēng)趣的“遛魚(yú)”場(chǎng)景，經(jīng)常在北京大學(xué)未名湖畔呈現(xiàn)。
2012年，謝廣明進(jìn)入北大力學(xué)系攻讀博士后，并為本人挑選了一個(gè)正在那時(shí)不太熱點(diǎn)的研討標(biāo)的目的——機(jī)器人。“選這個(gè)標(biāo)的目的便是想做點(diǎn)看得見(jiàn)、摸得著的工具。”謝廣明說(shuō)，本人本科和博士分離讀的是數(shù)學(xué)和自動(dòng)控制專(zhuān)業(yè)，那時(shí)就以為專(zhuān)業(yè)內(nèi)容離事實(shí)使用有點(diǎn)遠(yuǎn)，“總感到弄底子理論研討不敷‘解氣’，就想做點(diǎn)老百姓平常能用得上的研討。”
然而，機(jī)械人分類(lèi)多樣，有以無(wú)人機(jī)為代表的空中機(jī)械人，還是有相似無(wú)人駕駛汽車(chē)的陸地機(jī)械人，就連能與孩子對(duì)話的布娃娃還被回為機(jī)械人類(lèi)。正在如斯復(fù)雜的研討標(biāo)的目的中，如何就鎖定了水里游的仿生機(jī)械魚(yú)呢？面臨記者的發(fā)問(wèn)，謝廣明頓了頓，認(rèn)真地說(shuō)：“由于水下的天下遠(yuǎn)比我們?cè)O(shè)想得要出色。”
地球?qū)嶋H是個(gè)水球，超越70%的外貌被水籠罩，而水下也是有很多人們賴以生存的“寶藏”。謝廣明舉例：“人人皆愛(ài)好吃海鮮，但多數(shù)人不知道的是，扇貝、鮑魚(yú)、海參等海鮮的捕捉實(shí)際實(shí)際不輕易。”他回想，往海邊調(diào)研時(shí)曾見(jiàn)過(guò)蛙人下海捕撈的歷程，很辛勞。由于水深氣壓大，他們每一次只會(huì)下潛不到30分鐘，工夫長(zhǎng)了，還會(huì)落下潛水病取減壓病等職業(yè)病。
“那時(shí)我就想，為何沒(méi)有一種水下機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)捕撈，取代人類(lèi)去做這類(lèi)體力活呢？”謝廣明的初心，就像當(dāng)初挑選研討機(jī)器人一樣，簡(jiǎn)樸且務(wù)實(shí)。
人類(lèi)想要飛上天空，由鳥(niǎo)類(lèi)起頭仿照，終極制出了飛機(jī)。當(dāng)科學(xué)家想要探索水下天下，還要向水底的“原住民”討教，謝廣明將視野鎖定在了魚(yú)身上。
作為一位理科生，謝廣明眼中的魚(yú)擁有怪異的研討特征：游動(dòng)服從比螺旋槳推進(jìn)高很多，并且有很好的機(jī)動(dòng)性，可以矯捷地正在障礙物中穿越自若。顛末億萬(wàn)年的進(jìn)化，它們很是順應(yīng)水下的卑劣環(huán)境。“地球上最深的中央是馬里亞納海溝，到過(guò)那邊的人很少，卻依舊有魚(yú)類(lèi)生計(jì)，我們何不向它們進(jìn)修，借助仿生機(jī)械魚(yú)往探尋更多未知的天下呢？”
2012年仿箱鲀機(jī)械魚(yú)首航北極海疆。材料圖
3D打印出水陸“偵察兵”
仿生機(jī)器人的研發(fā)離不開(kāi)三個(gè)階段：探求模擬工具、設(shè)計(jì)機(jī)關(guān)、實(shí)驗(yàn)測(cè)試改善。“簡(jiǎn)樸來(lái)說(shuō)，這三點(diǎn)便是我全數(shù)的事情內(nèi)容。”謝廣明說(shuō)。不痛不癢的背后，蘊(yùn)含了二十余年的研究和起勁。
正在北京大學(xué)工學(xué)院的一間實(shí)驗(yàn)室中，安排著一個(gè)長(zhǎng)方形的魚(yú)缸，這里曾是各類(lèi)魚(yú)類(lèi)的“訓(xùn)練場(chǎng)”——“鯉魚(yú)、錦鯉、箱鲀皆養(yǎng)過(guò)，買(mǎi)回來(lái)讓它們正在魚(yú)缸里游一游，利便觀察學(xué)習(xí)。”謝廣明邊比畫(huà)邊表明，不一樣魚(yú)類(lèi)的游動(dòng)姿態(tài)有差別，就拿尾鰭來(lái)講，有的左右搖擺，有的高低翻動(dòng)。姿態(tài)不一樣，對(duì)標(biāo)的目的的把控也是有危害。
團(tuán)隊(duì)成員需求仔細(xì)觀察魚(yú)的游動(dòng)姿勢(shì)，經(jīng)過(guò)力學(xué)闡發(fā)、數(shù)字建模等，探求最適合機(jī)械魚(yú)的活動(dòng)體式格局。“正在這間實(shí)驗(yàn)室里常常能聽(tīng)到門(mén)生嘆息：之前途經(jīng)未名湖怎樣就沒(méi)發(fā)覺(jué)，一條魚(yú)竟有這么多種游動(dòng)姿勢(shì)！”謝廣明笑著說(shuō)。
談起魚(yú)，謝廣明就像打開(kāi)了話匣子，千語(yǔ)萬(wàn)言地向記者講起團(tuán)隊(duì)取魚(yú)之間的故事。令他印象最深刻的是十幾年前，團(tuán)隊(duì)成員已經(jīng)跑遍了菜市場(chǎng)，只求買(mǎi)一條表面都雅的錦鯉。“都雅可不只是為了悠然自得，還對(duì)科研有輔助。”
本來(lái)，當(dāng)時(shí)3D打印還沒(méi)有遍及，制造機(jī)械魚(yú)的外殼用的仍是傳統(tǒng)的要領(lǐng)，須要找專(zhuān)業(yè)的工匠師傅制造模子。“買(mǎi)回一條外形比力‘標(biāo)記’的魚(yú)，放冰箱里凍得邦邦硬，再找?guī)煾祬⒄諆鲷~(yú)分幾部門(mén)削出模子，拼在一起拿給工場(chǎng)舉行機(jī)械加工。一通忙活，少說(shuō)還得半個(gè)月。”謝廣明無(wú)奈地?cái)[了擺手，接著又笑著說(shuō)，“而今可好了，激光掃描加3D打印機(jī)就可以解決問(wèn)題！”
講到這兒，謝廣明起家走向辦公桌，拿起一件紅色的小物件向記者展現(xiàn)。“您看，這是我們團(tuán)隊(duì)使用3D打印最新設(shè)計(jì)的柔性仿生兩棲機(jī)器人，能在平滑斜坡、石子路、泥濘地、水面等各類(lèi)環(huán)境中活動(dòng)。”他手中的小機(jī)器人，中央部門(mén)呈卵形，四周分別有四條鋸齒狀的腿，能夠自在扭動(dòng)，看起來(lái)像一只沒(méi)有腦殼的小烏龜。
“仿的便是烏龜。”謝廣明說(shuō)，團(tuán)隊(duì)根據(jù)觀察發(fā)覺(jué)，烏龜四只足瓜代抬起，以匍匐活動(dòng)的姿勢(shì)實(shí)現(xiàn)直線活動(dòng)；以一條腿為軸不動(dòng)，其他三條腿挪動(dòng)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。受此啟示，團(tuán)隊(duì)為機(jī)器人設(shè)計(jì)了一條仿生腿：由兩個(gè)垂直的氣囊構(gòu)成，氣囊之間的毗鄰充任仿生樞紐，內(nèi)部根據(jù)機(jī)電驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)三維活動(dòng)，對(duì)活動(dòng)按次舉行編程，還能夠完成各色各樣的活動(dòng)步態(tài)。
謝廣明邊說(shuō)邊把機(jī)器人放進(jìn)魚(yú)缸里，它先是正在水面上靜止漂浮了幾秒，伴隨著遙控器的啟動(dòng)，機(jī)器人的四只足開(kāi)端不斷劃動(dòng)，下沉上浮、轉(zhuǎn)彎掉頭，機(jī)器人配合著指令不休改動(dòng)四只足劃水的頻次和角度，游動(dòng)的模樣像極了一只靈敏的小烏龜。
“不但浮現(xiàn)能力強(qiáng)，我們的數(shù)據(jù)目標(biāo)還過(guò)關(guān)。”謝廣明的語(yǔ)氣像是正在先容自家孩子：“速度和標(biāo)的目的控制力是機(jī)械人的‘基本功’。一樣平常來(lái)說(shuō)大都機(jī)械人的挪動(dòng)速度正在每秒0.03至0.8倍體長(zhǎng)，我們這只仿生機(jī)械人正在剛性地形上可到達(dá)每秒活動(dòng)0.97倍體長(zhǎng)，轉(zhuǎn)彎速度還到達(dá)了每秒25.4度，這個(gè)成果就算是兩棲機(jī)械人中比力精彩的了。”
將來(lái)，這只由3D打印機(jī)上出生的小烏龜，有望幫忙人類(lèi)正在兩棲環(huán)境中，完成搜索、偵探等重要任務(wù)。
團(tuán)隊(duì)成員為來(lái)北大校園觀光的小朋友講授機(jī)械魚(yú)。材料圖
由未名湖游向地球南北極
跟著手藝的提拔，團(tuán)隊(duì)不再滿足于對(duì)仿真機(jī)器人速度、標(biāo)的目的操縱等性能方面的研討，他們逐步將目光聚焦于機(jī)器人的運(yùn)用功效，正在優(yōu)化和拓展使用空間高低工夫。
一種名為“箱鲀”的魚(yú)進(jìn)入了團(tuán)隊(duì)的視野，它也有個(gè)更形象的名字——盒子魚(yú)。大大的肚子，玲瓏的背鰭，尾部如船舵般掌控標(biāo)的目的，這一些特點(diǎn)正在水下機(jī)器人仿生工具身上，可謂完美。
“這類(lèi)魚(yú)的內(nèi)部空間大，攝像頭、控制電路、電池、傳感器等都可以塞下。”謝廣明托著一只黃色的箱鲀模子，方形的肚子使它可以正在手中穩(wěn)穩(wěn)豎立。“您看，它的臉還取平常的魚(yú)不一樣，由正面看是向內(nèi)凹的，有科學(xué)家經(jīng)由研討發(fā)覺(jué)，當(dāng)水下各類(lèi)亂流向它沖來(lái)時(shí)，內(nèi)凹的臉可以幫它保持穩(wěn)定，不易翻倒。”別的，它另有蓬勃的鰭肢，特別是胸鰭和尾鰭的共同，使它正在水中游動(dòng)更靈敏。
光有完美的外形還不敷，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更為重要。由謝廣明領(lǐng)銜，各專(zhuān)業(yè)后臺(tái)的博士生構(gòu)成多個(gè)科研小組，分離賣(mài)力機(jī)器、電路、步伐等多方面設(shè)計(jì)。以步伐組為例，須要設(shè)計(jì)多種節(jié)制算法，讓魚(yú)的鰭肢和身體合營(yíng)，游出直線、曲線、圓圈等差別軌跡。
“光是練習(xí)魚(yú)游直線就花了小兩年時(shí)候，先正在虛擬環(huán)境下恣意畫(huà)一條軌跡，正在計(jì)算機(jī)中頻頻練習(xí)跑數(shù)據(jù)，約莫跑了十萬(wàn)組數(shù)據(jù)吧，終究游直了。”謝廣明說(shuō)，就像教小孩匍匐、站立、行走、跑步一樣，機(jī)械魚(yú)逐步學(xué)會(huì)了行進(jìn)、撤退退卻、轉(zhuǎn)圈，終究就連前滾翻、橫滾翻都能隨意馬虎完成。
2010年，箱鲀機(jī)械魚(yú)正在北大未名湖中實(shí)現(xiàn)了首游，團(tuán)隊(duì)為它安裝了攝像頭，借助箱鲀的眼睛，師生們第一次看到了未名湖水下的場(chǎng)景。
然而，他們還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新問(wèn)題——“當(dāng)天各人都很沖動(dòng)，機(jī)械魚(yú)還由白晝游到了夜晚，當(dāng)天氣漸漸陰暗，攝像頭就‘歇工’什么還看不清了。”
自然界的魚(yú)還會(huì)碰到入夜，它們是如何處理的呢？謝廣明向北大性命科學(xué)學(xué)院的同事討教，這才了解，本來(lái)魚(yú)有一類(lèi)特別的感知器官叫做側(cè)線體系，分布正在體側(cè)和臉部。魚(yú)類(lèi)能夠借助這套體系感觸感染身體四周水流的渺小變更，進(jìn)而感知到障礙物和其他火伴，還能構(gòu)成群體。
謝廣明由手機(jī)相冊(cè)中翻出一張機(jī)械魚(yú)的“解剖圖”，上面清楚地顯現(xiàn)，9個(gè)名為“壓強(qiáng)傳感器”的渺小零件被植入機(jī)械魚(yú)體內(nèi)，辨別位于身體兩側(cè)和臉部。“我們參照側(cè)線體系，采取雷同道理設(shè)計(jì)了傳感器，模擬出魚(yú)類(lèi)的感知本領(lǐng)。”他邊說(shuō)邊將一塊泡沫板安排正在水面上，平凡的機(jī)械魚(yú)正在未經(jīng)操控的情況下直接沖撞了上去，而裝備了傳感器的機(jī)械魚(yú)則慢吞吞地繞過(guò)障礙物，像是“看”到了泡沫板。
由實(shí)驗(yàn)室的魚(yú)缸，到校園的未名湖，機(jī)械魚(yú)的“理想”不止于此。
2012年，團(tuán)隊(duì)拜托國(guó)度科考隊(duì)員把機(jī)械魚(yú)帶到了北極海疆；2014年，機(jī)械魚(yú)又實(shí)現(xiàn)了正在南極海疆的首航。“本來(lái)只是想去極度環(huán)境中試試水，沒(méi)想到機(jī)械魚(yú)顯露還不錯(cuò)。”謝廣明笑著列出兩次遠(yuǎn)征的“成績(jī)單”——借助傳感器，機(jī)械魚(yú)采集了南北南北極的水質(zhì)、鹽度、溫度等數(shù)據(jù)，還傳回了幾段取冰川的合影視頻。
自然還留下了一些遺憾。“只管機(jī)械魚(yú)正在南北極嚴(yán)寒的水中游起來(lái)了，但僅正在水面上撲騰了一會(huì)兒，沒(méi)能像正在未名湖一樣，下潛到水下。”厥后，團(tuán)隊(duì)剖析思量機(jī)械魚(yú)多是受到了海水浮力的危害。“雖然說(shuō)帶了點(diǎn)遺憾返來(lái)，但還就算是代表團(tuán)隊(duì)出征地球南北極，為今后的科研指了條新路。”謝廣明欣喜地說(shuō)。
以自然為師反哺大自然
2018年5月4日，北京大學(xué)迎來(lái)120周年校慶。這一天對(duì)謝廣明而言，也有另外一層特別的意義——智能仿生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室正式建立。實(shí)驗(yàn)室立足于智能仿生設(shè)備取體系的設(shè)計(jì)、研發(fā)和現(xiàn)實(shí)利用，展開(kāi)自然界生物個(gè)別功效的仿生立異，摹仿生物的活動(dòng)、感知、定位、通信、功課等才能，并將其取人工智能機(jī)器人技能融會(huì)。
機(jī)械魚(yú)還為實(shí)驗(yàn)室的建立“獻(xiàn)禮”。同年，由謝廣明團(tuán)隊(duì)門(mén)生研發(fā)的天下上首條水下拍照機(jī)械魚(yú)，獲得了國(guó)際消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品博覽會(huì)（CES 2018）創(chuàng)新獎(jiǎng)，并樂(lè)成進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化。
應(yīng)對(duì)這一些成就，謝廣明始終沒(méi)有忘掉本人的初心：“讓仿生機(jī)器人經(jīng)由過(guò)程水下功課，為老百姓干點(diǎn)實(shí)事。”
當(dāng)下，他率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)還正在為此勤奮——
水下功課，僅靠一兩條機(jī)械魚(yú)是沒(méi)法完成的，須要必然數(shù)目的機(jī)械魚(yú)相互配合、分工協(xié)作，構(gòu)成群體。“不可以每一條機(jī)械魚(yú)皆靠人工遙控，太費(fèi)時(shí)艱苦了。”謝廣明攤了攤手，接著說(shuō)，“能不可以找到一種體例，讓機(jī)械魚(yú)本身溝通交流呢？”
此次，團(tuán)隊(duì)由迢遙的南美洲亞馬遜河請(qǐng)來(lái)了一種名為“線翎電鰻”的魚(yú)。絕大多數(shù)時(shí)辰，它們喜好躲藏在密植的水草叢中，巖石、沉木漏洞的昏暗環(huán)境里，靠體內(nèi)的弱電流來(lái)精確感知水流、障礙物和食品。“這種弱電魚(yú)經(jīng)由過(guò)程調(diào)解身體，形成了一個(gè)交變的電場(chǎng)，被別的一條魚(yú)感知到，就能夠和伙伴‘打招呼’了。”
受此啟示，團(tuán)隊(duì)中主管電路的小分隊(duì)建立了適用于機(jī)械魚(yú)的理論模子，包含發(fā)射電路、接納電路和通信編碼協(xié)定，設(shè)計(jì)安裝好電路后，兩條機(jī)械魚(yú)就實(shí)現(xiàn)了水下的信息溝通。
謝廣明向記者展現(xiàn)了最新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。他向魚(yú)缸里放入兩條機(jī)械魚(yú)，漂浮在水面上的是“魚(yú)王”，賣(mài)力千叮萬(wàn)囑，潛入水底的是追隨者。啟動(dòng)法式后，兩條魚(yú)與此同時(shí)進(jìn)步，“當(dāng)前面有障礙物時(shí)，魚(yú)王收回‘上浮’旌旗燈號(hào)，水中的魚(yú)就徐徐上浮，繞過(guò)障礙物。”謝廣明注釋?zhuān)m然說(shuō)通信間隔還不論是很遠(yuǎn)，但這是機(jī)械魚(yú)經(jīng)由過(guò)程新型的水下通信方法履行的首個(gè)指令。
正如人工智能遁不開(kāi)圖靈測(cè)試，機(jī)械魚(yú)也要接受“真魚(yú)測(cè)試”。隨后，謝廣明把機(jī)械魚(yú)放進(jìn)了北大未名湖里，經(jīng)由一段時(shí)間的順應(yīng)，湖里的錦鯉漸漸地堆積正在機(jī)械魚(yú)身后，形成了群體游動(dòng)。
真魚(yú)對(duì)機(jī)械魚(yú)的“承認(rèn)”，具有更高的使用價(jià)值——引誘真魚(yú)洄游。當(dāng)下，謝廣明團(tuán)隊(duì)正正在和水利工程團(tuán)隊(duì)展開(kāi)互助，正在恰當(dāng)?shù)募竞颍褂脵C(jī)械魚(yú)將真魚(yú)引誘到大壩的洄游魚(yú)道上，以珍愛(ài)物種持續(xù)。
伴隨著科研的逐漸深入，謝廣明的仿生工具正正在向水下的各個(gè)角落延長(zhǎng)：生活中普遍的鯉魚(yú)、草魚(yú)，正在海洋中暢游的海豚、鯨魚(yú)、章魚(yú)，兩棲動(dòng)物蠑螈……越來(lái)越多的水下生物由自然界“游”進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，向人類(lèi)展現(xiàn)著活動(dòng)、通訊、感知、抓取等多樣的“超能力”。
優(yōu)勝劣汰，優(yōu)勝劣敗。顛末冗長(zhǎng)進(jìn)化的大浪淘沙，地球上的生物可以很好的順應(yīng)特定環(huán)境，繁育后裔。以自然為師，向大自然進(jìn)修。人類(lèi)經(jīng)過(guò)鑒戒生物的特色，探索更多樣的天下，“這便是仿生的魅力！”
面向未來(lái)，謝廣明滿懷獵奇和希望：“水下另有太多奧秘等待著人類(lèi)的發(fā)覺(jué)。探索未知，效勞人類(lèi)，是機(jī)械魚(yú)承當(dāng)?shù)娜蝿?wù)，也是團(tuán)隊(duì)永久的方針。”