機(jī)器魚混進(jìn)魚群內(nèi)部！研究人員研發(fā)仿生機(jī)器魚

1月18日消息，近日，哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)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(jī)器人，它可以像魚一樣平靜地聚在一起，也可以自動(dòng)導(dǎo)航和尋找彼此，協(xié)作完成任務(wù)。這也是研究人員首次在水下機(jī)器人領(lǐng)域，展示了具有內(nèi)隱協(xié)調(diào)（隱式協(xié)調(diào)）的復(fù)雜三維集體行為。

魚類成群結(jié)隊(duì)的行為，可以幫助他們尋找食物，進(jìn)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(xué)家探索。

▲魚形水下機(jī)器人Blueswarm

空中的無人機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域證明了自己的價(jià)值，水下無人機(jī)也可以在生態(tài)，轉(zhuǎn)向和其他水下領(lǐng)域的場景中體現(xiàn)其價(jià)值。

在過去的幾年中，人們已經(jīng)對一些有趣的水下機(jī)器人有些許了解，其中最常見的類型是一種“魚雷”式機(jī)器人。這種機(jī)器人在開放水域巡航時(shí)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(fù)雜細(xì)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(gè)仿生機(jī)器人。這種仿生機(jī)器人模仿了魚的形狀，還模仿了魚群的活動(dòng)。

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(xué)機(jī)器人》上。

一，成為魚，納入魚群

Nagpal在潛水時(shí)看到魚成群結(jié)隊(duì)地游走，便開始追問：“我們不是能創(chuàng)造出一個(gè)機(jī)器人群體，使它們在運(yùn)動(dòng)時(shí)能具有像魚群一樣的群體一致性？”

▲Blueswarm的組成結(jié)構(gòu)

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

Berlinger說：“機(jī)器人通常被部署在人類無法接近的地方，或者危險(xiǎn)的地區(qū)。在這些地方，人類甚至無法對機(jī)器人進(jìn)行干預(yù)。在這種情況下，一個(gè)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(gè)具有高度自主性和替代的水下系統(tǒng)。”

但對于一條普通的魚而言，這樣的機(jī)器人遠(yuǎn)沒有一根六英尺長的金屬管子那么嚇人，也不會(huì)因?yàn)榇钶d的螺旋槳發(fā)出巨大聲響而嚇走魚群。

二，模仿魚群活動(dòng)細(xì)節(jié)，符合水下工作需求

在三維空間中工作，對于水下機(jī)器人來說也是一個(gè)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(qiáng)弱和變化，應(yīng)該每個(gè)機(jī)器人所在的位置和周圍環(huán)境。

Blueswarm基于相機(jī)和機(jī)器人最前端的光敏傳感器，進(jìn)行游泳動(dòng)作和發(fā)光情況進(jìn)行調(diào)整，自動(dòng)將多個(gè)個(gè)體組織成一體在水中游動(dòng)。它們可以組裝出一個(gè)“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(jī)器人不管在任何角度插進(jìn)隊(duì)伍都能及時(shí)適應(yīng)“魚群”的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

▲多機(jī)器人建造出“銑削”模式

如果研究人員要求一個(gè)由Blueswarm機(jī)器人組成的小組在水箱中找到一個(gè)紅色的LED燈，它們可以各自獨(dú)立對這個(gè)燈進(jìn)行搜尋，而當(dāng)其中一個(gè)機(jī)器人找到指定的燈時(shí)，它會(huì)改變自己身上的LED燈閃爍的狀態(tài)來提醒其他機(jī)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(gè)重要進(jìn)展?！边@種技術(shù)的用途在于，首先，這些機(jī)器人可以在不驚動(dòng)海洋生物的原因下，監(jiān)測其的健康狀況。同時(shí)，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(xiàng)研究，人們甚至可以建造更先進(jìn)的機(jī)器人集體，還對自然中動(dòng)物的表現(xiàn)式活動(dòng)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(dòng)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(jìn)行魚類游泳和與魚群相關(guān)的生物學(xué)研究。他們的實(shí)驗(yàn)室歡迎Blueswarm加入，這讓我非常高興。”

▲憂郁融入魚群

結(jié)語：仿生機(jī)器人-從模仿自然到融合自然

哈佛大學(xué)研究人員這次研發(fā)的水下機(jī)器人除了在尺寸上對魚進(jìn)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(jī)器人追求的是與生物個(gè)體的相似，而水下機(jī)器人追求的僅是個(gè)體能在水下靈活行進(jìn)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(jī)器人和環(huán)境及水中生物的兼容方面開了一個(gè)先河。仿生機(jī)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(zé)任編輯：PSY