一条「鱼」，我养了20年

我是谢广明，来自北京大学智能仿生设计实验室。我喜欢养鱼，一养就养了 20 年。

如图所示，这条鱼很活泼、逼真，但它不是纯生物的，而是机电系统，也是一种机器人，我们管它叫高仿生金龙机器人。就是以金龙鱼为对象，按照外形和游动方式造出一个像金龙鱼一样的机器人。

养这条鱼有什么用？实际上非常广泛，机器鱼也是机器人，现在各行各业都在进行机器换人，我们养鱼为了实现水下的机器换人，现在的工业发展，很多方面和水相关，比如大洋大海，城市建筑、地下管道等，但是很多活很辛苦，为了下水冒着生命风险，包括我们吃的海鲜，鲍鱼等需要穿防护服捞上来，会造成很多职业病，所以我们想解放人，危险的脏的累的活让机器人代替。

仿生机器人做的研究是什么？

首先，做仿生运动研究，比如箱魨鱼，正面看是内凹的，研究发现这种内凹有利于在各种乱流冲过来的时候不会翻车，德国一家汽车公司专门以这个鱼为外形设计过一款 SUV 概念车，希望将来在陆地上开车的时候不会翻车，这是第一个特点，叫骨骼清奇。

第二，箱魨鱼有发达的胸鳍和尾鳍，可以通过两者的配合在复杂的珊瑚礁内流动，我们叫凌波微步。

第三，箱魨鱼俗称盒子鱼，整个身体像一个盒子，我们将来做很多应用的时候可以加很多负载，这是很好的仿真对象，就琢磨做一个这样的仿生机器鱼。

借助 3D 打印可以实现内凹的外形，以胸鳍和尾鳍作为仿生对象，实现胸鳍和尾鳍的独立控制。进一步做硬件，硬件系统，包括传感器、电机、芯片等，系统做得非常紧凑。因为实验室的水池非常小，让它游起来非常费劲，所以让鱼做得尽量小，然后我们做了异型电路板，让它非常的紧凑，适合外壳。

然后是算法设计，让鱼按照我们想要的方式前进、后退，通过鳍肢配合，实现后空翻、垂直的旋转，横滚，实现三维空间的复杂运动，这样的科学研究从仿生对象到硬件到软件，最后用实验结果验证我们的结果。一开始国内做仿生机器的是这种研究，比如做不同的仿生对象仿生其过程。

但我们发现离实际解决问题很远，我们希望机器人自己解决实际问题，首先要感知环境，不能靠人解决。怎么样感知环境？我们给机器人加了摄像头，有了视觉分析。通过摄像头可以做一些事情，但光靠视觉是不够的，天黑或者水质浑浊也看不清楚。我们发现水下的生物特有的感知器官叫侧线系统，通过对水环境的细微变化可以感知到周围的很多环境信息。比如鱼喜欢正对着水流呆着，更容易获取食物，将来的机器鱼也是在水下应用，我们用这种特殊的感知方式，所以给机器鱼装了仿生测线系统。就是在鱼身体的两侧和面部装了三个压传，让机器鱼在水里自由的流动，收集数据，反解出来三维的游动轨迹。我们进一步发现让机器鱼感知它的伙伴，游动过程中水流的变化有规律，规律的变化通过数据分析，最后分析出前后距离，左右距离，即使没有视觉也可以感知到伙伴，然后形成呼应的关系，这是初步的结果，以后我们让机器鱼在自由游动的情况下研究。

仿生通信研究，目前陆上无线通信在水下都不行，因为水下特定的环境问题。我们发现有一类鱼叫弱电鱼，它能够调整自己的身体机能可以和其他的鱼进行互动，通过通信的方式可以解决水下给机器鱼交换信息的过程。

我们进一步做了组网，让机器鱼实现群体的交互。

下一个研究，水下抓捕，我们希望最终能够代替人做一些事情，光感知环境是不行的。我们当时瞄准鱼的肌肉、感知，鱼嘴很厉害，可能形成负压把东西抓住。但这个东西太笨重了，很难集成到小鱼，于是降了一个维度。章鱼也可以抓住很多活的生物，能不能做仿章鱼的抓手，我们借助 3D 打印的技术，抓住章鱼触角的特点，形成仿章鱼的抓手。通过仿章鱼的抓手，可以实现空气中、水下抓住各种各样的东西，比如抓文件盒，也可以抓多个东西，章鱼的抓手实现小金鱼的抓取，而且是无损的不会因为一抓就夹碎了，保证对生物没有伤害，同时实现抓捕。

这张是水下摄影大赛获奖的作品，很多鱼在水中形成很神奇的景象，这些鱼不是吃饱了没事干，跳跳广场舞或者娱乐，做的所有事情都是为了能够生存下去，水下的资源有限。一条小鱼很难生存下去，但是形成一个集群，别的生物有畏惧感。集体觅食，也会提高觅食的效率。人工智能除了模仿人脑的智能，还有群体的智能，一群个体能力很低，但是通过局部的相互协作，将来面对浩瀚大海，从单体上提高能力和智能性，同时依靠群体智能的方式更加有效面对恶劣的环境。生物学家和物理学家，包括我们搞控制的也做过这样的研究，我们把规律总结出来之后可以实现像生物一样的群体过程。

我们做的所有研究是学自然界，让机器人适应各种各样的水环境。进一步是道法自然，不只是简单的向自然索取或者学习，希望将来和自然互动的时候，能够接近自然的互动方式。原来说你想吃鲤鱼，我派机器鲤鱼游到合适的位置，只抓鲤鱼。现在我们和搞水利工程研究的人合作，他们希望通过我们的机器鱼把真鱼吸引到大坝一侧鱼道的入口。有一类鱼，比如中华鲟灭亡了，因为修了很多大坝，鱼类无法上游产卵，新的大坝修了鱼道，很窄，鱼根本找不到，试过很多方式，现在和我们合作，希望用机器鱼把鱼引过去，还是很有挑战性的。虽然鱼不能吃，但是对自然有一定的回馈。