基本介紹
- 中文名：仿生機器魚
- 外文名：bionic robot fish
簡介,研究歷史,研究意義,特點,
簡介
由歐盟出資250萬英鎊進行各種研究和設計。投放在泰晤士河中的機器魚是科學家們完全按照仿生學原理設計的，體長約50厘米，高15厘米，寬12厘米。這些機器魚可以自動監測河水中的各種污染物，並利用GPS裝置將數據適時傳給研究人員。投放在泰晤士河中的所有機器魚都具備協同工作的能力，即使沒有科學家的控制，它們也能根據此前設定的程式協同合作。當一條機器魚“嗅出”一片水域中的有害物質時，它們就通過wi-fi無線連線彼此交流數據，然後適時向研究人員和環保部門發出警報。
仿生機器魚機器魚是科學家們根據仿生學原理設計製造的，它們遊動起來酷似真正的鯉魚，身體在發動機的推動下來回擺動，並用鰭和尾來改變它們的遊動方向，其遊動速度可望達每秒半米。此機器魚先遣隊將在18個月內真正去水裡進行污染探測，最初會去港口監測大型船隻的泄露和排放，還可能去查一下泰晤士河的污染情況。
埃塞克斯大學的研究人員表示，“泰晤士的污染狀況正在不斷惡化，如果不能確定河水中污染物的方位，污染物泄漏無疑將隨著時間推移而變得愈發嚴重。希望通過這么做(投放機器魚)可以防止向海中排放具有潛在危險的物質。” 如果實驗成功，科學家希望這種機器魚在全球各地得到使用，以阻止污染蔓延。
它們將分別配備不同的感測器來探測不同的污染物，之後科學家再用這些數據繪製實時的水污染3D圖，好讓環保部門採取最好辦法來清除這裡的污染物。科學家表示，他們會讓這些機器魚充電一次就能在水中持續遊動24小時。
美國華盛頓大學的研究人員已經成功地研製出三條機器魚，在水中游泳時可互相交流。該機器魚，就像真魚一樣，依靠鰭游泳。機器魚還能追逐獵物，如漂流物或小魚。機器魚的後部有兩片平行於水面的尾舵，隨著尾舵轉動，機器魚可以上浮和下潛。還有一條豎直的尾鰭，用來保證平穩。機器魚唯一的動力來自尾巴。這片尾巴，由後部伸出的一隻機械臂帶動。機器魚模仿的是鮭魚的動作。鮭魚的划水動作看似簡單，其實科學家需要利用專門的仿生學研究其軌跡，得出相應的算法，好指揮機械尾巴運動，做到儘量平滑。
研究歷史
早在19 世紀20 年代就有學者開始了對魚類遊動機理的研究，在60、70 年代達到了一個高潮。
1959 年，Taylor 採用“靜態流體理論”通過準靜態逼近的方法建立了一種“抗力水動力學模型”來分析、計算流體力。這種方法由於忽略了慣性力，以及對魚體和尾鰭運動及魚身體形狀的過分簡化，只適用於雷諾數比較低的情況。
1960 年，Lightill 首次基於“小振幅位勢理論”建立了分析魚類鰺科推進模式的數學模型[3]，這是魚類推進模式研究歷史上第一個關於鰺科推進模式的數學模型。
1961 年，Wu 首次提出了“二維波動板理論”。該理論中將魚當作一彈性薄板，這是一個比較實際的用於分析鰺科模式的水動力學理論。該理論與空氣動力學的“細長體理論”一起成為1970 年Lightill 提出的用於分析鰺科推進模式的“細長體理論”的基礎。
1969 年，Schere 研製了一種尾鰭擺動式水下推進器，尾鰭是展弦比為3 的剛性平板，其研究結果表明與常規螺旋槳推進器相比，該尾鰭擺動式水下推進器具有更高的推進效率和推進力。
1970 年，Lightill 首次將空氣動力學中的“細長體理論”用於鰺科推進模式的水動力學分析。[6]在該理論中，由於身體波動引起的水流在一個尾鰭擺動循環中被認為可以忽略，通過尾鰭後緣動力學計算了平均推進力。該理論很適合鰺科推進模式的理論分析，但並不適於鰺科加新月形尾鰭推進模式的分析。
1971 年，Lightill 首次考慮了尾鰭任意擺幅的運動，提出了“大擺幅細長體理論”，在該理論中尾鰭的側向位移非常大，比“細長體理論”更適合用於鰺科模式的水動力學分析。
1975 年，Webb 通過實驗研究，得出了鰺科推進模式的推進效率可達80%。
1976 年和1977 年，英國劍橋大學套用數學和理論物理系的M.G.Chopra 和T.Kambe 等人研究了魚類鰺科加新月形尾鰭推進模式的水動力學特性。該研究考慮了具有弧形前緣和尖銳後緣的有限薄板的小擺幅平動和俯仰運動，是對Chopra1974 年提出的矩形模型的推廣。討論了具有最佳推進力和推進效率的尾鰭形狀。研究發現，與矩形尾鰭相比，具有新月形弧形前緣的尾鰭，後掠角超過30時，推進效率顯著降低。
1977 年，M. G. Chopra 和T. Kambe 又提出了一種可用於大擺幅、新月形尾鰭推進系統的“二維抗力理論”，該理論是1953 年Hancock 提出的“大擺幅抗力理論”和1971 年Lightill 提出的“大擺幅細長體理論”的補充。在其理論中考慮了尾鰭的擺動和平動運動，分析了任意擺幅的規則或不規則的運動，推進力的表達式，維持運動所需的推進器功率，傳遞給尾流的能量，並且認為流體力學效率是斯德魯哈爾數、擺動軌跡的幅值以及尾鰭擊水角度的函式。
1978 年，以色列技術學院航空工程系的J. Katz 和D. Weihs 等人進行了在弦長方向上為彈性的、大擺幅運動的水翼推進系統的流體力學特性的分析研究，研究分析了柔性翼在理想不可壓縮流體中以大擺幅、曲線擺動時的推進力。重點研究了翼在弦長方向上的彈性對大擺幅水翼推進系統的影響，研究結果認為與作相同運動的剛性翼相比，柔性翼可以使推進效率提高20%，而推進力降低不大。
1978 年，日本東京大學物理系的T. Kambe 分析了鰺科推進模式遊動運動的水動力學特性。
1979 年，美國堪薩斯大學的C. E. Lan 提出了一種計算推進力和推進力效率的“準渦流柵”方法。
1994 年，日本Ikuo Yamamoto 等人研製了擺動時水翼水下推進器，通過水翼的運動來模擬鰺科加新月形推進模式中尾鰭的運動。該水翼做平動和擺動的複合運動，研究了尾翼剛度對推進速度和效率的影響，並且將神經網路用於控制系統的設計當中，進行了實驗研究。通過測試驗證了尾鰭擺動式水下推進器的高效率，並且得到了與螺旋槳等常規推進器相比很多的優點。
1994 年，美國麻省理工學院的R. Gopalkrishnan，M. S. Triantafyllou 等人提出了對尾鰭擺動時產生的尾流進行主動控制的思想。尾鰭擺動時產生的尾流是一系列方向交錯排列、離散的漩渦，他們認為，尾鰭擺動時從尾流中回收了能量，而這正是採用鰺科加新月形尾鰭模式推進魚類推進效率高的主要因素之一。
1994 年，美國麻省理工學院的研究人員通過長時間的觀察鮪魚的遊動情況，研製成功了世界上第一條真正意義上的仿生機器鮪魚（RoboTuna）。該機器魚是一條長約1.2 米，由2843 個零件組成的，具有高級推進系統的機器鮪魚。它具有關節式鋁合金脊柱、真空聚苯乙烯肋骨、網狀泡沫組織、並用聚氨基甲酸酯彈性纖維表皮包裹，它裝有多台2 馬力的無刷直流伺服電動機（實際上只使用每台電機額定功率的十分之一）、軸承及電路等。機器魚在多處理器控制下，通過擺動軀體和尾鰭，能像真魚一樣遊動，速度可達2m/s。機器魚的擺動式尾鰭有助於機器魚的推進，可使推進系統的效率增加一倍。
1995 年，機器魚“Pike”在美國麻省理工學院誕生。機器魚“Pike”的硬體系統主要有以下幾部分構成：頭部、胸鰭、尾鰭、背鰭、主體伺服系統、胸鰭伺服系統以及電池等。
1999 年，日本的M. Nakashima，K.Tokuo 等人研製了一條自主驅動的具有兩個關節的自推進的機器海豚，該機器海豚是高速遊動海洋生物海豚的簡化模型，長1.75米，與實際海豚的尺寸非常接近。該機器海豚由流線形身體和矩形尾鰭構成，第一個關節由空氣馬達驅動，第二個關節由彈簧驅動，結構圖如圖1-3。研製了測量第一個關節轉矩和轉角的測量系統，該機器海豚的推進速度可達1.2m/s，推進效率約為35%。
1999 年，美國麻省理工學院海洋工程系的D. Sbrrett 和M. S. Triantafyllou 等人通過實驗測量了魚形體在水中遊動時所受到的阻力以及維持運動所需的推進器功率。該實驗中，遊動體為一條長1.2m，由柔性皮膚包裹，並且裝有一新月形尾鰭的機器魚。實驗中流體的雷諾數Re=106，並且外加擾動。機器魚身體的側向運動模式為一列波幅隨魚體長度變化的行波。實驗結果表明阻力的降低對斯德魯哈爾數、身體波的擺幅、波長以及尾鰭擊水角度十分敏感。完成實驗所必須具備的條件是身體波必須大於魚遊動速度。另外，他們認為尾鰭的擺動從尾流中回收了能量，所以具有很高的效率。
研究意義
隨著陸地資源日益枯竭，人們把目光投向了擁有豐富資源和巨大開發價值的海洋，這使得水下作業任務發生了很大變化，提出了許多新的要求，原有的水下檢測、作業、運載裝置難以滿足複雜水下作業任務的需求，加速了水下機器人的研發工作。魚類，作為自然界最早出現的脊椎動物，經過億萬年的自然選擇，進化出了非凡的水中運動能力，魚類的游泳技巧遠高於人類現有的航海科技。和普通的水下推進器相比，魚類的遊動具有推進效率高、機動性能好、隱蔽性能好等優點。仿生機器魚作為魚類推進機理和機器人技術的結合點，為研製新型的水下航行器提供了一種新思路，具有重要的研究價值和套用前景。一旦步入套用，仿生機器魚將在複雜危險水下環境作業、軍事偵察、水下救撈、海洋生物觀察、考古等方面發揮重要作用。
特點
仿生機器魚是屬於仿生機器人學的範疇，因此它涉及到機電、材料、流體力學、控制、能源、生物、通訊等學科。對它的研究可以帶動相關學科的發展，同時由魚類運動的特點還決定了仿生機器魚在一些特殊的領域具有不可替代的作用，同常規水下運動設備相比，仿生機器魚具有以下特點：
Ⅰ 推進效率高：魚類的高效率與其完善的流體性能有關。魚類通過尾鰭的擺動能消除螺旋槳產生的與推進方向垂直的渦流，產生與推進方向一致的渦流，並且整理尾流，使其具有更加理想的流體力學性能，從而提高效率。初步試驗表明機器魚的推進效率比常規水下設備高30%以上。採用機器魚作為水下機械可大大節省能量，提高能源利用效率，從而提高了水下作業時間和作業範圍。同時相對於目前的船舶，其高的推進效率可以節約大量的能源，在研究仿生機器魚推進機理的基礎上可以為新型船舶的設計提供新的思路。
Ⅱ 機動性能好：機器魚具有高速啟動、加速的性能，以及可在小範圍內實現不減速轉向運動。研究發現，生活在水中的依靠敏捷運動才能生存的魚類，可以不減速實現轉向運動，並且其轉向半徑只有其身體長度的10%~30%。而現在的機動船在轉向時其速度要降低50%以上，並且其轉向半徑大。由於採用身體波動式推進的機器魚體型細長，並且具有足夠的柔韌性，使其在空間狹窄、空間結構複雜的場所有著更良好的機動性能。因此它可以在波濤洶湧、地勢險峻的海洋環境中進行水下探測和水下作業。
Ⅲ 噪音低、隱蔽性能高：軍事套用方面，由於機器魚在雷達上的表現形式與生物魚類幾乎相同，能夠輕而易舉地躲過聲納的探測和魚雷的襲擊，出其不意的攻擊對方艦艇、基地，具有重大的軍事套用前景。而且在民用上，可以用於海洋生物觀察。
