师法自然丨国际会议热议的水下仿生机器鱼究竟是什么？

如今，水下机器人的应用对于大众来说已经不再陌生。但是谈起仿生机器鱼，也许大家脑海中的印象还是新奇的“玩具”，其实，鱼类仿生机器人的用途十分广泛，对于海洋的探索也有着至关重要的作用。

近日，第六届制造和机电一体化系统国际会议（M&MS）在乌克兰哈尔科夫国立无线电电子大学举行。会议的一篇报告论文说明了研发仿生鱼类机器人的重要意义，并介绍了第一台鱼类仿生机器鱼商业化产品BIKI。论文指出世界上研发协作机器人的公司现阶段没有对可用于自然探索和环境研究的水下仿生机器人给予应有的重视，该领域的开发需求仍是急迫的。

会议上发表的关于现有仿生机器鱼的分析

此次会议由乌克兰教育和科学部、哈尔科夫国立无线电电子大学、华沙生命科学大学、阿塞拜疆国立石油工业大学、乌克兰国有企业仪器仪表科学技术研究所、乌克兰国家航空航天工业设计与研究所等联合举办，涉及工业自动化系统、制造控制系统、系统工程、微机系统、机器人和智能机器人应用等多个板块，在机械制造和机器人领域引发了学界地广泛关注与讨论。

会议举办方

会上提到的这款仿生机器人，正是博雅工道自主研发设计的产品BIKI。

BIKI以珊瑚区的箱鲀为原型，基于仿生学原理设计而成。它有两种不同的操控方式，当用户在岸上时，可以通过App预设路径；而用户潜入水中时，则可以利用水中遥控器控制BIKI拍摄照片、视频。这一设计摆脱了以往水下机器人需要拖拽缆绳进行信息传输的束缚，既简化了人机交互，也增加了灵活度和趣味性。

21 世纪是海洋开发的世纪，水下机器人在海洋环境研究、海洋资源探测和开发等民用领域与海洋军事方面具有广阔的应用前景和巨大的潜在价值，吸引了人们更多的注意力。仿生机器鱼不同于装配有传统操纵与推进系统的水下机器人，它具有低能耗、高效率、高机动性等独特优势。例如，依靠身体和鳍协调运动，鱼类的推进效率可以达到 80% 以上，而普通的螺旋桨的推进效率只有 40%~50%；鱼类可以在无需减速的情况下以 10%~30% 体长的转弯半径进行机动运动，而船舶智能以 3~5 倍体长的半径进行缓慢回转。

这些特点都是因为鱼类作为自然界最早出现的脊椎动物，经过亿万年的自然选择进化出了非凡的水中运动能力，它们既可以在持久游速下保持低能高效率，也可以在拉力游速或爆发游速下实现高机动性。仿生机器鱼自然也学习了鱼类的诸多优点，这使得它们可以进行长时间、大范围、工况较复杂的水下作业；能应对海洋生物考察、海底勘探、海底救生等对机动性要求高的场景。研究仿生机器鱼，必然是水下机器人未来发展的方向。

其实仿生机器鱼的历史也由来已久，世界上第一条仿生机器鱼 Robotuna 于 1994 年在麻省理工学院的研究组诞生。从那以后，世界各地的学者都没有停止对仿生机器鱼的研究。

鱼类仿生机器人的研发并不是一条好走的路，但博雅工道从创立之初就一直深耕于仿生机器鱼领域，并且坚持不懈地在这一领域进行研究。自 2015 年 9 月开始研发，历经多次产品升级，最终于 2017 年正式投入市场，这开创了仿生鱼机器人市场化产品化的先河。

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2017 年 5 月底，BIKI 成功登陆美国 kickstarter 等多个平台众筹，吸引了大批欧美、中东、东南亚等国家的消费者及代理商，同时也获得了美国福布斯杂志、英国每日电讯等等世界各地主流媒体的报道，引起了广泛关注。

BIKI 支持水下 4K 拍摄，

是一款具有自动平衡、避障和返航功能的娱乐用水下机器人

除了前面提到的效能上的优势，仿生机器鱼和传统的基于螺旋桨的水下航行器相比，还有一些无可替代的优点。

生物欺骗性高，因师从于自然界的鱼类，仿生机器鱼有着和鱼类高度相似的外观和运动规律，这使得水中的鱼儿会把机器鱼当作自己的同类。因为鱼类的集群行为，它们会朝着同一方向保持着一定的间隔以一定的速度进行运动，这一规律让水中的小鱼会跟随仿生机器鱼进行游动。 

在未名湖进行实验时，湖中的鱼正跟随BIKI进行游动

这一发现现在已经有了实际的应用。鱼类洄游是指鱼类受各种因素影响，会周期性的定向往返移动。大型水利工程在河流上筑坝拦截，会阻断鱼类的天然洄游通道，影响河流生态系统。随着时代的发展，人们越来越注重环保，现在的大坝在设计之初就会规划好人工的鱼类洄游通道，来帮助鱼儿“翻越”大坝实现洄游。

不过，和宽广的河流相比，人工的鱼道显得有些狭窄，这导致有些鱼可能找不到洄游通道。在鱼类洄游的时候，鱼类的集群行为变得更为普遍，有些平时单独生活的鱼在洄游时进行集群。这时候我们就可以利用仿生机器鱼，带领鱼儿进入规划好的鱼道进行洄游，守护他们繁衍生息，避免了流域内生物的多样性受到水利工程的影响，

为验证方案可行性进行的测试

环境友好，仿生机器鱼身上没有一个螺旋桨，和鱼类一样仅靠仿生结构摆动产生动力，因而噪音很低。仿生机器鱼模仿鱼类低噪进行游动不会惊扰到水中的鱼群，在海洋生物研究领域，仿生机器鱼的优势是传统的水下机器人无法比拟的。此外，仿生机器鱼的游动也不会产生激流，不会危及到海洋生物的安全、也不产生废油，不会污染海洋环境。

隐蔽性好，仿生机器鱼采用波动式或摆动式运动，和传统的水下机器人相比更加不规律，它的尾流也比螺旋桨所产生的小，对环境扰动小，因而很难被水下的声呐装置探测到。这使它们拥有超强的隐蔽性，不易被对方发现的特点十分适合在一些军事领域上进行应用，可以参与各种侦察和反侦察工作，能在攻击、侦探和扫雷等方面发挥重大作用。

当然，机器鱼也拥有水下机器人共有的优点。

比如他们可以代替人工进行许多高危险和高难度的水下工作。9 月 26 日北溪管道多出发生了泄露，事故扑朔迷离，发生原因尚不明确，为此，多国正联合展开调查。德军曾想派遣蛙人下水勘探，但现场并没有可以下潜到事故水深的潜水设备，最终改用了水下机器人。

人能下潜的深度和在水下的作业时间都是极为有限的，水下工作无疑使高难度高危险的职业，而利用水下机器人则可以很好的解决这一问题，而且随着发展，和最初大型的工作级水下机器人相比，现在水下机器人种类越来越丰富，也越来越轻量化，越来越易于操作。

图片截取自由水下机器人完成拍摄的首支管道破损状况视频

水下机器人可负载多种传感器，工作效率更高。除了常规搭载的摄像头以外，还可以利用声呐，多波束扫描仪等传感器进行观察，测绘，和人类用肉眼去感知相比，水下探测变得科学高效，有据可依。现在很多水下机器人采用模块化的设计，传感器的装配也变得简单易操作。

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水下机器人还能探索人类无法到达的场景，代替人类去探索自然的奥秘。中国科学院沈阳自动化研究所自主研发了多台水下机器人，这些水下机器人远赴南北极成功完成了多次科考任务。2021 年，“探索 4500”自主水下机器人，在北极高纬度海冰覆盖区进行考察，证明了它完全具备在极地恶劣环境下开展科考应用的能力。博雅工道团队参与研发的机器人也曾到达过极地，进行水下实验。

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除了 BIKI，公司还自主研发了多款仿生机器鱼，它们可以在不同的应用场景下发挥它们的价值。

这只外观酷似 BIKI 的 ROBOLAB-EDU，和 BIKI 不同，它全面开源、支持二次开发，可以进行水下机器人教学、学生竞赛、高校科研。产品使用了独特的水下无线控制技术，采用水声通信原理，通过发射不同频率的声波控制自主仿生机器鱼平台做出相应的动作。一上市就收获了国内众多高校的热烈反响，走入了学生的课堂。这款产品在 2017、2018 年成为国际水中机器人大赛的官方指定产品。

ROBOLAB-EDU 在比赛现场

仿生机器金龙鱼平台 BG1-5 是一款多关节仿龙鱼机器人产品，它根据龙鱼的游动姿态和外观样式，依托仿真技术设计而成，能在水中自如地游动、避障，看起来像真鱼一样流畅优雅，达到了以假乱真的效果。不仅如此，BG1-5 独特的外表下集成了多种传感器和全局视觉控制技术，可应用于教育科研、文娱、海洋生物研究等多个领域。

和前面的机器鱼相比，ROBO-SHARK 从外形上看就更为震撼，性能上自然也大幅提升，它身长 2.2m，和正常成年的牛鲨相近，ROBO-SHARK 可以下潜到深海进行活动，能完成包括水下巡游、水下科考、水下监测、水下追踪、水下搜寻、水下勘察、地貌测绘在内的多种任务。比起其他的大型水下机器人，它在作业时无需用脐带缆与母船进行连接，这使它具有更好的灵活性。

ROBO-SHARK 在展览会

2018 年 08 月公司收到研究院需求通知，在青岛市附近海域进行了特定海域水文信息采集工作，同时对海港水域进行勘测。勘测人员使用 ROBO-SHARK 智能仿生鲨鱼对海港周边海域进行水域勘测，同时完成对码头结构的侧扫成像工作。

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海洋科技创新是建设海洋强国的根本动力，是贯穿全局、起决定作用的关键因素，加快海洋开发进程，振兴海洋经济，关键在科技。

当前，我国突破“卡脖子”关键技术仍面临着许多问题，但也具有明显优势。我国对于机器鱼部分领域的研究有着很好的理论基础，经过多年的沉淀和积累，近几年也取得很多阶段性的成果，相信我国仿生机器鱼领域在未来也能够持续发展，助力科技强国。