機器魚混進魚群內(nèi)部！研究人員研發(fā)仿生機器魚

1月18日消息，近日，哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）和威斯生物工程研究所（Wyss Institute for Biospired Engineering）的研究人員研發(fā)出一組魚形水下一位機器人，它可以像魚一樣平靜地聚在一起，也可以自動導航和尋找彼此，協(xié)作完成任務。這也是研究人員首次在水下機器人領域，展示了具有內(nèi)隱協(xié)調(diào)（隱式協(xié)調(diào)）的復雜三維集體行為。

魚類成群結(jié)隊的行為，可以幫助他們尋找食物，進行遷徙或躲避捕食者。沒有任何一條魚在協(xié)調(diào)他們的身上，也沒有魚“交頭接耳”討論了這些事情。相反，這樣的行為集體來源于所謂的內(nèi)隱協(xié)調(diào)-魚類可以根據(jù)自己看到的同類行為作出決定。這種分散的，但具有自主性的自我組織，長期以來一直吸引著科學家探索。

▲魚形水下機器人Blueswarm

空中的無人機在各個領域證明了自己的價值，水下無人機也可以在生態(tài)，轉(zhuǎn)向和其他水下領域的場景中體現(xiàn)其價值。

在過去的幾年中，人們已經(jīng)對一些有趣的水下機器人有些許了解，其中最常見的類型是一種“魚雷”式機器人。這種機器人在開放水域巡航時效率很高，但不能用作在珊瑚礁或碼頭的角落和縫隙中巡航。

為了在復雜細微的水下環(huán)境巡航，威斯研究所通過對大自然的探索，制造出一個仿生機器人。這種仿生機器人模仿了魚的形狀，還模仿了魚群的活動。

作者Florian Berlinger和Radhika Nagpal將他們的研究成果寫成論文，近期，論文被發(fā)表在《科學機器人》上。

一，成為魚，納入魚群

Nagpal在潛水時看到魚成群結(jié)隊地游走，便開始追問：“我們不是能創(chuàng)造出一個機器人群體，使它們在運動時能具有像魚群一樣的群體一致性？”

▲Blueswarm的組成結(jié)構

因此，這次科學家們研發(fā)出了一個名字叫Blueswarm的小型機器人。通過3D打印，這個機器人被制造成魚的形狀，它以螺旋槳為鰭，以照相機為眼。

Berlinger說：“機器人通常被部署在人類無法接近的地方，或者危險的地區(qū)。在這些地方，人類甚至無法對機器人進行干預。在這種情況下，一個能夠自給自足，并且具有高度自主性的群體的優(yōu)勢就非常明顯。通過對內(nèi)隱規(guī)則和3D視覺的使用，我們能夠在沒有GPS和WiFi支持的水下環(huán)境，創(chuàng)建一個具有高度自主性和替代的水下系統(tǒng)?！?/p>

但對于一條普通的魚而言，這樣的機器人遠沒有一根六英尺長的金屬管子那么嚇人，也不會因為搭載的螺旋槳發(fā)出巨大聲響而嚇走魚群。

二，模仿魚群活動細節(jié)，符合水下工作需求

在三維空間中工作，對于水下機器人來說也是一個不小的挑戰(zhàn)。因此，研究人員在Blueswarm身上配備了發(fā)光二極管，轉(zhuǎn)換為能像海底生物向分類發(fā)信號一樣發(fā)光，并使用自定義算法來LED光源散發(fā)光的強弱和變化，應該每個機器人所在的位置和周圍環(huán)境。

Blueswarm基于相機和機器人最前端的光敏傳感器，進行游泳動作和發(fā)光情況進行調(diào)整，自動將多個個體組織成一體在水中游動。它們可以組裝出一個“銑削（注：將毛坯固定，用高速旋轉(zhuǎn)的銑刀在毛坯上走刀，切出需要的形狀和特征）”模式，讓新加入的機器人不管在任何角度插進隊伍都能及時適應“魚群”的運動狀態(tài)。

▲多機器人建造出“銑削”模式

如果研究人員要求一個由Blueswarm機器人組成的小組在水箱中找到一個紅色的LED燈，它們可以各自獨立對這個燈進行搜尋，而當其中一個機器人找到指定的燈時，它會改變自己身上的LED燈閃爍的狀態(tài)來提醒其他機器人。

Nagpal說：“ Blueswarm的研究成果代表了水下自組織集體行為研究的一個重要進展?！边@種技術的用途在于，首先，這些機器人可以在不驚動海洋生物的原因下，監(jiān)測其的健康狀況。同時，它們還可以在碼頭和船只的下方，以更有效的方式檢查船體。也許，它們還能在搜救中發(fā)揮作用。

通過這項研究，人們甚至可以建造更先進的機器人集體，還對自然中動物的表現(xiàn)式活動有了更深刻的了解。

Berlinger說，“其他研究人員已經(jīng)聯(lián)系到我，想用我們的Blueswarm作為魚類的替代品”，“魚類在群體游動中遵循著簡單的行為模式，這種模式很美麗，卻很難被發(fā)現(xiàn)?！逼?，幫助他們進行魚類游泳和與魚群相關的生物學研究。他們的實驗室歡迎Blueswarm加入，這讓我非常高興?！?/p>

▲憂郁融入魚群

結(jié)語：仿生機器人-從模仿自然到融合自然

哈佛大學研究人員這次研發(fā)的水下機器人除了在尺寸上對魚進行了模仿，甚至把魚的表現(xiàn)行為也模仿得惟妙惟肖。以前，仿生機器人追求的是與生物個體的相似，而水下機器人追求的僅是個體能在水下靈活行進和工作，很少考慮到與水下生物的兼容情況。

現(xiàn)在，Blueswarm為水下機器人和環(huán)境及水中生物的兼容方面開了一個先河。仿生機器人已經(jīng)不止模仿模仿自然生物形態(tài)，它們正在轉(zhuǎn)變成一體的自然環(huán)境，成為大自然的一部分。

責任編輯：PSY