仿生机器人有何作用？北京大学教授谢广明给出答案

　　江南可采莲，莲叶何田田。鱼戏莲叶东，鱼戏莲叶西…… 　　早在约两千年前，鱼儿在莲间嬉戏的生动景致就被描绘在诗歌中，流传至今。 　　当下，在北京大学未名湖里，也有一群倏尔远逝、往来翕忽的鱼儿，领头的那只体型明显大过同伴，灵活地摆动着身体。眼尖的学生越瞅越觉不对劲儿，好奇地将它从水里捞出，掂在手里，才发现它并非鲜活之鱼，而是由冰凉的机器零件组装的仿真鱼。 　　二十余年来，北京大学工学院教授谢广明团队聚焦仿生机器人，不断探索机器人水下作业领域，科研成果颇丰。而被他精心“养育”的机器鱼，不仅可以像真鱼一样，在水里游动、感知环境、相互交流，还被科技赋予了许多“特异功能”—— 　　安上摄像头就是一台水下探测仪，可以清晰地给水下环境拍照，并实现数据传输；装上抓手就能代替潜水员，下潜到人类无法到达的深度，即使在恶劣浑浊的水下环境中，也可以通过触觉感知能力抓取物体；还能在鱼群中“以假乱真”，引导鱼群游向适宜的水域……
谢广明 　　未名湖上演“遛鱼”大戏 　　明媚的秋日午后，阳光洒在北京大学未名湖上，一阵秋风拂过，水面泛起粼粼波光。岸边聚集的人群中，谢广明手拿一台小型遥控器，目光紧盯湖面，手里不停拨弄着。在他的操控下，一条黑色的机器鱼自如地在水中上浮下潜、前进后退，还调皮地将漂浮的落叶顶出水面，一番花样动作，引来众多师生围观。 　　“快看，那几条鱼还真游过来了！”机器鱼的“表演”也吸引了在湖中生活的锦鲤，游来一探究竟。几条鱼好奇地围着这只“庞然大物”转了一圈又一圈，还不时小心翼翼地“啄”上一口。不一会儿，一支壮观的鱼群大队形成了，在机器鱼的带领下，缓缓游向远处。 　　这样有趣的“遛鱼”场景，经常在北京大学未名湖畔出现。 　　2001年，谢广明进入北大力学系攻读博士后，并为自己选择了一个在当时不太热门的研究方向——机器人。“选这个方向就是想做点看得见、摸得着的东西。”谢广明说，自己本科和博士分别读的是数学和自动控制专业，当时就觉得专业内容离实际应用有点远，“总感觉搞基础理论研究不够‘解气’，就想做点老百姓日常能用得上的研究。” 　　然而，机器人分类多样，有以无人机为代表的空中机器人，也有类似无人驾驶汽车的陆地机器人，就连能与孩子对话的布娃娃也被归为机器人类。在如此繁杂的研究方向中，怎么就锁定了水里游的仿生机器鱼呢？面对记者的提问，谢广明顿了顿，认真地说：“因为水下的世界远比我们想象得要精彩。” 　　地球其实是个水球，超过70%的表面被水覆盖，而水下也有许多人们赖以生存的“宝藏”。谢广明举例：“大家都喜欢吃海鲜，但多数人不知道的是，扇贝、鲍鱼、海参等海鲜的捕获其实并不容易。”他回忆，去海边调研时曾见过蛙人下海捕捞的过程，很辛苦。因为水深气压大，他们每次只能下潜不到30分钟，时间长了，还会落下潜水病与减压病等职业病。 　　“当时我就想，为什么没有一种水下机器人，能够实现精准捕捞，代替人类去做这种体力活呢？”谢广明的初心，就像当初选择研究机器人一样，简单且务实。 　　人类想要飞上天空，从鸟类开始模仿，最终造出了飞机。当科学家想要探索水下世界，也要向水底的“原住民”请教，谢广明将视线锁定在了鱼身上。 　　作为一名理科生，谢广明眼中的鱼有着独特的研究特性：游动效率比螺旋桨推动高许多，并且有很好的机动性，能够灵活地在障碍物中穿梭自如。经过亿万年的进化，它们非常适应水下的恶劣环境。“地球上最深的地方是马里亚纳海沟，到过那里的人很少，却依然有鱼类生存，我们何不向它们学习，借助仿生机器鱼去探寻更多未知的世界呢？”
2012年仿箱鲀机器鱼首航北极海域。资料图 　　3D打印出水陆“侦察兵” 　　仿生机器人的研发离不开三个阶段：寻找模仿对象、设计构造、实验测试改进。“简单来讲，这三点就是我全部的工作内容。”谢广明说。轻描淡写的背后，蕴含了二十余年的钻研和努力。 　　在北京大学工学院的一间实验室中，放置着一个长方形的鱼缸，这里曾是各种鱼类的“训练场”——“鲤鱼、锦鲤、箱鲀都养过，买回来让它们在鱼缸里游一游，方便观察学习。”谢广明边比划边解释，不同鱼类的游动姿态有差异，就拿尾鳍来说，有的左右摇摆，有的上下翻动。姿势不同，对方向的把控也有影响。 　　团队成员需要仔细观察鱼的游动姿态，通过力学分析、数字建模等，寻找最适合机器鱼的运动方式。“在这间实验室里经常能听到学生感叹：之前路过未名湖怎么就没发现，一条鱼竟有这么多种游动姿态！”谢广明笑着说。 　　谈起鱼，谢广明就像打开了话匣子，滔滔不绝地向记者讲起团队与鱼之间的故事。令他印象最深刻的是十几年前，团队成员曾经跑遍了菜市场，只为买一条外观好看的锦鲤。“好看可不只是为了赏心悦目，还对科研有帮助。” 　　原来，那时3D打印尚未普及，制作机器鱼的外壳用的还是传统的方法，需要找专业的工匠师傅制作模型。“买回一条外形比较‘标志’的鱼，放冰箱里冻得邦邦硬，再找师傅参照冻鱼分几部分削出模型，拼在一起拿给工厂进行机械加工。一通忙活，少说也得半个月。”谢广明无奈地摆了摆手，接着又笑着说，“现在可好了，激光扫描加3D打印机就能解决问题！” 　　讲到这儿，谢广明起身走向办公桌，拿起一件白色的小物件向记者展示。“你看，这是我们团队利用3D打印最新设计的柔性仿生两栖机器人，能在光滑斜坡、石子路、泥泞地、水面等各种环境中运动。”他手中的小机器人，中间部分呈椭圆形，四周分别有四条锯齿状的腿，可以自由扭动，看起来像一只没有脑袋的小乌龟。 　　“仿的就是乌龟。”谢广明说，团队通过观察发现，乌龟四只脚交替抬起，以匍匐运动的姿态实现直线运动；以一条腿为轴不动，其他三条腿移动而实现转弯。受此启发，团队为机器人设计了一条仿生腿：由两个垂直的气囊组成，气囊之间的连接充当仿生关节，内部通过电机驱动实现三维运动，对运动顺序进行编程，还可以完成各式各样的运动步态。 　　谢广明边说边把机器人放进鱼缸里，它先是在水面上静止漂浮了几秒，随着遥控器的启动，机器人的四只脚开始不停划动，下沉上浮、转弯掉头，机器人配合着指令不断改变四只脚划水的频率和角度，游动的样子像极了一只灵活的小乌龟。 　　“不光表现能力强，我们的数据指标也过关。”谢广明的语气像是在介绍自家孩子：“速度和方向控制能力是机器人的‘基本功’。一般来讲多数机器人的移动速度在每秒0.02至0.8倍体长，我们这只仿生机器人在刚性地形上可达到每秒运动0.97倍体长，转弯速度也达到了每秒25.4度，这个成绩算是两栖机器人中比较出色的了。” 　　未来，这只从3D打印机上诞生的小乌龟，有望协助人类在两栖环境中，完成搜索、侦察等重要任务。
团队成员给来北大校园参观的小朋友讲解机器鱼。资料图 　　从未名湖游向地球两极 　　随着技术的提升，团队不再满足于对仿真机器人速度、方向控制等性能方面的研究，他们逐渐将目光聚焦于机器人的使用功能，在优化和拓展应用空间上下功夫。 　　一种名为“箱鲀”的鱼进入了团队的视线，它还有个更形象的名字——盒子鱼。大大的肚子，小巧的背鳍，尾部如船舵般掌控方向，这些特征在水下机器人仿生对象身上，堪称完美。 　　“这种鱼的内部空间大，摄像头、控制电路、电池、传感器等都可以塞下。”谢广明托着一只黄色的箱鲀模型，方形的肚子使它能够在手中稳稳直立。“你看，它的脸也与寻常的鱼不同，从正面看是向内凹的，有科学家经过研究发现，当水下各种乱流向它冲来时，内凹的脸可以帮它保持稳定，不容易翻倒。”此外，它还有发达的鳍肢，特别是胸鳍和尾鳍的配合，使它在水中游动更灵活。 　　光有完美的外形还不够，内部结构的设计更为重要。由谢广明领衔，各专业背景的博士生组成多个科研小组，分别负责机械、电路、程序等多方面设计。以程序组为例，需要设计多种控制算法，让鱼的鳍肢和身体配合，游出直线、曲线、圆圈等不同轨迹。 　　“光是训练鱼游直线就花了小两年时间，先在虚拟环境下任意画一条轨迹，在计算机中反复训练跑数据，大约跑了十万组数据吧，终于游直了。”谢广明说，就像教小孩爬行、站立、行走、跑步一样，机器鱼逐渐学会了前进、后退、转圈，最终就连前滚翻、横滚翻都能轻易完成。 　　2010年，箱鲀机器鱼在北大未名湖中实现了首游，团队为它安装了摄像头，借助箱鲀的眼睛，师生们第一次看到了未名湖水下的场景。 　　然而，他们也发现了一个新问题——“当天大家都很激动，机器鱼也从白天游到了夜晚，当天色逐渐昏暗，摄像头就‘罢工’什么也看不清了。” 　　自然界的鱼也会遇到天黑，它们是怎么解决的呢？谢广明向北大生命科学学院的同事请教，这才知道，原来鱼有一类特殊的感知器官叫做侧线系统，分布在体侧和面部。鱼类可以借助这套系统感受身体周围水流的细微变化，从而感知到障碍物和其他伙伴，还能形成群体。 　　谢广明从手机相册中翻出一张机器鱼的“解剖图”，上面清晰地显示，9个名为“压强传感器”的微小零件被植入机器鱼体内，分别位于身体两侧和面部。“我们参照侧线系统，采用类似原理设计了传感器，模拟出鱼类的感知能力。”他边说边将一块泡沫板放置在水面上，普通的机器鱼在未经操控的情况下直接冲撞了上去，而配备了传感器的机器鱼则慢悠悠地绕过障碍物，像是“看”到了泡沫板。 　　从实验室的鱼缸，到校园的未名湖，机器鱼的“梦想”不止于此。 　　2012年，团队委托国家科考队员把机器鱼带到了北极海域；2014年，机器鱼又实现了在南极海域的首航。“原本只是想去极端环境中试试水，没想到机器鱼表现还不错。”谢广明笑着列出两次远征的“成绩单”——借助传感器，机器鱼采集了南北两极的水质、盐度、温度等数据，还传回了几段与冰川的合影视频。 　　当然也留下了一些遗憾。“尽管机器鱼在两极冰冷的水中游起来了，但仅在水面上扑腾了一会儿，没能像在未名湖一样，下潜到水下。”后来，团队分析考虑机器鱼可能是受到了海水浮力的影响。“虽说带了点遗憾回来，但也算是代表团队出征地球两极，为以后的科研指了条新路。”谢广明欣慰地说。 　　以自然为师反哺大自然 　　2018年5月4日，北京大学迎来120周年校庆。这一天对谢广明来说，还有另一层特殊的意义——智能仿生设计实验室正式成立。实验室立足于智能仿生装备与系统的设计、研发和实际应用，开展自然界生物个体功能的仿生创新，模仿生物的运动、感知、定位、通信、作业等能力，并将其与人工智能机器人技术融合。 　　机器鱼也为实验室的成立“献礼”。同年，由谢广明团队学生研发的世界上首条水下摄影机器鱼，获得了国际消费类电子产品展览会（CES 2018）创新奖，并成功进行了产业化。 　　面对这些成绩，谢广明始终没有忘记自己的初心：“让仿生机器人通过水下作业，为老百姓做点实事。” 　　当下，他带领团队也正在为此努力—— 　　水下作业，仅靠一两条机器鱼是无法完成的，需要一定数量的机器鱼相互配合、分工协作，形成群体。“不能每一条机器鱼都靠人工遥控，太费时费力了。”谢广明摊了摊手，接着说，“能不能找到一种方式，让机器鱼自己沟通交流呢？” 　　这次，团队从遥远的南美洲亚马逊河请来了一种名为“线翎电鳗”的鱼。大多数时候，它们喜欢躲藏在密植的水草丛中，岩石、沉木缝隙的幽暗环境里，靠体内的弱电流来准确感知水流、障碍物和食物。“这类弱电鱼通过调整身体，形成了一个交变的电场，被另外一条鱼感知到，就可以和同伴‘打招呼’了。” 　　受此启发，团队中主管电路的小分队建立了适用于机器鱼的理论模型，包括发射电路、接收电路以及通信编码协议，设计安装好电路后，两条机器鱼就实现了水下的信息沟通。 　　谢广明向记者展示了最新的实验成果。他向鱼缸里放入两条机器鱼，漂浮在水面上的是“鱼王”，负责发号施令，潜入水底的是追随者。启动程序后，两条鱼同时前进，“当前面有障碍物时，鱼王发出‘上浮’信号，水中的鱼就缓缓上浮，绕过障碍物。”谢广明解释，虽说通信距离还不是很远，但这是机器鱼通过新型的水下通信方式执行的首个指令。 　　正如人工智能逃不开图灵测试，机器鱼也要接受“真鱼测试”。随后，谢广明把机器鱼放进了北大未名湖里，经过一段时间的适应，湖里的锦鲤慢慢聚集在机器鱼身后，形成了群体游动。 　　真鱼对机器鱼的“认可”，具有更高的应用价值——引导真鱼洄游。当下，谢广明团队正在和水利工程团队开展合作，在适当的季节，利用机器鱼将真鱼引导到大坝的洄游鱼道上，以保护物种延续。 　　随着科研的逐步深入，谢广明的仿生对象正在向水下的各个角落延伸：生活中常见的鲤鱼、草鱼，在海洋中畅游的海豚、鲸鱼、章鱼，两栖动物蝾螈……越来越多的水下生物从自然界“游”进实验室，向人类展示着运动、通讯、感知、抓取等多样的“超能力”。 　　物竞天择，适者生存。经过漫长进化的大浪淘沙，地球上的生物能够很好的适应特定环境，繁育后代。以自然为师，向大自然学习。人类通过借鉴生物的特点，探索更多样的世界，“这就是仿生的魅力！” 　　面向未来，谢广明满怀好奇和期待：“水下还有太多秘密等待着人类的发现。探索未知，服务人类，是机器鱼承担的使命，也是团队永恒的目标。”