1.杨德鹏 2.张士杰 3.谢岳
陆军航空兵学院101116
【摘要】
随着陆地资源的过度开发，海洋拥有丰富的资源成为了人们开发的新目标。面对水下更加复杂的环境，水下资源开发对水下工程作业提出了更高的要求。由于鱼的游动有着灵活性好、推进效率高、适应性强等优势，许多研究员转向以鱼类形态、机理为基础的研究，将从中得到的理论与机器人技术结合，仿生的机器鱼便应运而生。随着电子技术、计算机技术、传感技术的进一步发展，仿生型机器鱼的发展前景非常宽阔。本文以综述、分析仿生机器鱼研究的内容为主，收集了最先进的仿生机器鱼关键技术，并提出了一些建议，以思考仿生机器鱼的发展趋势。
【关键词】仿生机器鱼；关键技术
仿生机器鱼是模仿鱼的外形、内部结构、运动方式和行为反应，使机械鱼获得与鱼类相似的视觉感应、智能决定和高效的工作运动，进而实现在复杂的环境中完成任务的能力。与传统水下航行器相比，仿生鱼具有高稳态、高推进效率和多姿态控制等特点，提高了水下工作的机动和灵活性，能够实现高精度控制。仿生机器鱼的研究和应用前景很广，可以实现复杂的危险水下作业、军事侦察、水下搜救、水下考古、海洋生物观测和水下装备检修等方面进行研究。随着技术的深入发展，产业应用需要的拉动，仿生机器鱼的研究也日益受到人们的关注。
一、仿生机器鱼的研究内容
仿生机器鱼的研究已成为仿生机器人的热点，是一门包含仿生技术、机器人科学、流体力学和控制理论等多个学科的交叉研究领域。研究者一直在追求的目标是开发具有高运动效率，高灵活机动，低能耗等特征的水中仿生机器鱼。经过多年的研究和发展，目前水中仿生机器鱼的研究主要集中在以下方面：
（一）游动机理的研究
水下运动仿生研究的关键在于鱼的游动模拟。在研究过程中，应根据实际需要提出技术指标，有选择地研究鱼的游动规律。目前，抗力理论、细长体理论、波动板理论等多种波动推进理论都试图通过对鱼类游动过程中的旋涡和湍流等因素进行不同程度的抽象和假设，将鱼类游动过程中三维、非定常的流固耦合作用过程，用流体力学理论的解析方法进行计算。借助数字粒子成像仪，结合鱼的生理学，建立了相应的鱼类游动模式。在此基础上，进行数学分析、抽象，建立一个仿生数学模型。最后，利用机械、电子和控制等方法建立工程模式。
（二）仿生结构的分析
经过几亿年的进化，鱼类形成了一种完善的结构以适应它所生活的环境。以工程学的角度看，鱼体的骨骼和肌肉可以看作动力组件和控制组件于一体的系统，其中包含神经与机械的前馈与反馈机制。肌肉并不单仅是动力的一部分，它还起着支撑、减震和抗压等作用。在充分研究鱼的肌肉结构及运动规律的基础上，进一步抽象，采用新型复合材料模仿鱼的结构以实现某些功能，是当今仿生机器鱼发展的重要方向。
（三）多种技术的集成
真正意义上的智能仿生机器鱼必须具备强大的感知功能。通过对水下鱼类的信息感知与处理机制进行模拟，建立仿生感应系统，大大增强机器鱼在非结构环境中的应变能力。如果是多种仿生机器鱼的协同工作，则必须有良好的感觉运算能力和协调控制功能。随着制造工艺、传感器技术、控制理论和人工智能在制造技术中的发展，集驱动、控制、通信、人工智能和自主操作的水下仿生机器鱼，将成为仿生鱼研究与开发的主题。
二、仿生机器鱼的关键技术
仿生机器鱼的工作介质是水。在标准大气条件下，水的密度是空气的700多倍。通常情况下，陆地机器人在运动过程中与空气接触而产生的摩擦力可以忽略不计，而仿生机器鱼与周围的水相互作用来产生流体动力，这个摩擦力是不可以忽略的。因而，在仿生结构制造、运动控制及系统集成方面，仿生机器鱼比陆地机器人有更大的难度。
（一）刚柔一体化结构
仿生机器鱼仿生结构的重要方向之一是仿生刚柔性混合结构。
相对于刚性结构，刚柔混合结构，既具有生物刚性的支撑结构，又具有柔性的减震自适应结构，完美地模仿了生物肌肉的作用。通过改进现有的材料，或设计制造新型的仿生材料，仿生机器鱼将变得结构更轻便、精密程度更高、鱼体流线型阻力更小。此外，可变结构的复合仿生材料可针对不同环境的变化具有更好的适应能力，因此研究模拟鱼游动过程中开链、闭链结构的相互转换与复合，设计创新非连续变约束的复合仿生新机构，是仿生鱼体的另一种重要发展方向。
（二） 智能运动控制
从控制角度看，鱼的运动被视为一个闭环控制的系统，它依赖于传感器。采用智能控制算法，研究水下仿生机器人点到点控制，进行导航和路径规划，可以在一定程度上提高水下仿生机器人的可靠性和适用度。通过神经元对仿生机器人进行精细的控制，并在多感知信息的融合、远程监测和多机器人的协调控制方面取得突破，可以达到更精确、适应性更高和响应速度更快的控制过程及良好的环境感知能力。建立精确运动模型是控制机器鱼的基础，神经网络等先进控制方法的运用是机器鱼高动力和稳定性的重要条件，群体合作和协调控制则是仿生机器鱼的实用前提。
（三）新能源的发展，
在当前能源开发趋势下，高效率仿生结构一定会成为现代结构学发展的主流，针对仿生机器鱼的工作环境，太阳能、波浪能和潮汐能等新型能源，很可能成为机器鱼获取能源的新渠道。此外，研究的目标也可以集中在功能、效率、质量和损耗这四个方面，从而提高仿生机器人的能量使用率，降低能耗。
三、仿生机器鱼的发展趋势
（一）高机动运动
目前，处于初级研究阶段的仿生机器鱼，大抵推进性能不佳，对高机动性能追求较低。铰链连接机构在一定程度上可以增加鱼的灵活性，为仿真机器鱼发展打开了空间。同时，，闭环控制方式与鳍面机构的改进也影响着机器鱼的精准高机动运行
（二）神经控制与肌电控制
仿生机器人目前多采用的是传统控制方法，因此感知能力存在精度较低、反应时间长、对复杂环境感知精确性差、对复杂环境的适应力不足等问题，无法达到精确定位和灵活运动的控制要求。而神经控制和肌电控制则可以使机器鱼性能得到较好的改善。
（三）水下探测与传感
仿生机器鱼可用于特定的水下场合，尤是狭窄复杂的水域、重污染区域和深海区域，并执行一些特殊的任务，如水域探测、资源勘探、探险旅游等。同时，机器鱼实际应用的巨大潜力，也对机器鱼的材料选择、结构设计、耐压防水等性能提出来更高的要求。
四、结语
随着对仿生机器鱼研究的不断深入,部分研究成果已经逐步在水下作业中开展了应用,其优良的性能显示出了仿生机器鱼广阔的前景。智能材料的发展和智能控制理论的进步，将使得仿生鱼的结构变得更简单，推进性能也得到了提高。仿生机器鱼在水下勘探、检测等方面将发挥越来越大的作用，人们对丰富水资源的需求也将随着技术的进步而不断满足。仿生机器鱼将迎来一个高速发展时期，我国也必须把握这个机会，成为仿生机器鱼研究的领头者。
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