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新知丨鱼的记忆只有七秒,那机器鱼呢?

江南可采莲,莲叶何田田,鱼戏莲叶间。

鱼戏莲叶东,鱼戏莲叶西,鱼戏莲叶南,鱼戏莲叶北。

多姿多彩的鱼类

鱼类远在人类出现之前就已经活跃于江、河、湖、海之中。历经千万年的进化鱼类形成了繁多的种类演化出各种不同的身体形状、结构和运动方式,适应着各种不同的水下生存环境。下面就给大家介绍几种鱼类。

鱼类中的游泳好手--箭鱼

水质监测员--象鼻鱼

鱼类中的跳高冠军--跳鱼

鱼类所具备的特征

特征一 鱼类运动的高效率

鱼类能够在持久游速下保持低能耗、高效率。

特征二 鱼类运动的高机动性

相比于人类制造的船舶,鱼类在运动的机动性上也非常突出。鱼类可迅速地以只有10%~30%体长距离为转弯半径来变换行进方向,且不需减速;而一般船舶需以3~5倍体长的半径缓慢地回转。

特征三 鱼类运动的低噪声

鱼类游动时发出的噪音同螺旋桨驱动的船舶相比较显得非常微弱。鱼类通过肌肉的收缩、扩张带动身体和尾部运动,通过对身体各部分的协调控制使身体与水的摩擦减低到很小,将运动时发出的噪声降低。

机器鱼

科学家根据鱼类高速、高效、灵活机动游动的特性,并结合最新的科技成果研制开发出高效、高机动性、智能化的水下作业机器人系统、水下运载器——机器鱼

机器鱼的用途

一、狭窄空间内的检测

对于复杂的管线进行检测,如输水管、输油管等。

二、水下生物观察

水下生物观察是对水下生物研究的一个主要方式,同时也是很多经济鱼类养殖所必需的重要手段。常规的水下监测会对鱼类造成一定的伤害,或者因噪声太大,而和鱼类具有相同运动方式的机器鱼则很容易接近水下生物,进行近距离的观察,将其生活习性、自然状况有效地记录下来供研究人员深入研究。

国内外机器鱼简介

美国麻省理工大学研制的机器鱼

经过为期3年的研制,1994年,MIT 成功研制了世界上第一条真正意义上的仿生机器金枪鱼“ Robotuna ” ,开启了机器鱼研制的先河。

英国埃塞克斯大学

胡豁生教授领导的研究组在智能控制方面开展研究工作,研制了仿生机器鱼并在伦敦水族馆进行了展示。

中国科学院自动化研究所

自动化所谭民研究员领导的先进机器人与制造系统团队自2001年起就开始了仿生机器鱼研究。从当初的跟踪模仿到如今的别具特色,机器鱼研究小组在仿生控制方面找到了属于自己的清晰定位,在国际仿生机器鱼领域占有重要的一席之地。

延伸阅读

自动化所机器鱼研制进展介绍

目前研制了仿鲹科机器鱼、仿生鲤鱼、机器海豚、长鳍波动推进的水下运载器、子母式机器鱼等多种原型系统,研发了尾鳍推进、长鳍波动推进、高机动转弯、快速启动、倒退游动、浮潜运动、深度保持、姿态保持等关键控制技术,形成一系列具有自主知识产权的技术和方法,实现了仿生机器鱼水下三维高机动游动、机器海豚跃水等独具特色的仿生运动。我国的仿生机器鱼研究工作不仅被国外同行大量引用,研发的仿生机器鱼系统也已应用于英国、德国、澳大利亚等国内外大学的科研和国内多个科技馆的科普工作中。

机动运动是指为了某一特定目的而执行的运动方向和位置的改变。鱼类典型的机动运动包括快速起动、运动中变速和转向、倒游、悬停、制动等。由于鱼类瞬时的机动运动的持续时间往往只有数毫秒,其实验很难设计、重复和校验。长期以来,生物学家和数学家主要研究的是定常运动。但鱼类展示的这些机动行为,不仅是实现捕食和逃避敌害等生存活动的关键技能,而且在复杂水域的避障、航向校正中起着重要作用。更为突出的是,鱼类在实现高机动运动的同时,也可以保持高稳定性。

通过对真实鱼类 C 形起动过程的细致观察,自动化所机器鱼研究小组提出基于虚拟 C 形管道的动态轨迹法来实现仿鱼高机动运动。该方法使机器鱼在打开身体的过程中,如同滑过一个 C 形的弯曲管道一般,从头部到尾部,各个关节逐次打开身体。这不但使机器鱼获得了快速打开身体的能力,同时增强了向前推进鱼体加速的能力。最重要的是,实现了快速机动中的精确定向能力。将该方法应用于我们研制的仿生机器鱼,实现了 480º/s 的平均转向角速度和约 670º/s的峰值角速度,远高于现有文献中报道的机器鱼转向的平均角速度(120º/s )。

此外,科研人员将动态轨迹法应用于机器海豚的俯仰控制,在国际上首次实现了机器海豚前滚翻、后滚翻等机动运动,验证了生物学家 N. K. Maslov 的观点:海豚的俯仰机动性能高于其偏航机动性能。

出水

空中滑行

再入水

赴青海开展野外水质监测实验

2016年9月,受青海省玉树市政府和水利局邀请,自动化所复杂系统管理与控制国家重点实验室喻俊志研究员、吴正兴助理研究员、博士生刘金存等人携带自主研发的两条可动态监测水质参数数据的仿生机器海豚在玉树禅古水库开展野外水质监测验证实验。

机器海豚在上位机系统的控制下实现直游、偏航、上浮、下潜等功能,同时将其在巡游过程中采集到的水质参数,如PH值、温度、电导率等实时上传给上位机系统并显示。面向水质监测的仿生机器海豚系统具有监测效率高、监测范围广、对待测水域无污染等优点。基于机器海豚的动态水质监测实验的成功进行,不仅可为三江源水源保护提供数据基础,而且为动态自主水质监测提供了新的技术手段。

来源:中国科学院自动化研究所

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