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【全球热闻】仿生机器人有何作用?北京大学教授谢广明给出答案

2022-10-24 09:22:21    来源:北京日报

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。


(资料图片仅供参考)

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……

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?”

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。

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。” 

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