水下機(jī)器人研究現(xiàn)狀與探索.doc

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《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》 課程報(bào)告 論文名稱：水下機(jī)器人研究現(xiàn)狀與探索 二零一七年一月 目 錄 摘　 要 3 關(guān)鍵詞 3 1 引言( Introduction) 4 2　 水下機(jī)器人分類 ( The categories of underwater robot ) 5 2.1遙控式水下機(jī)器人(remotely operated vehicles, ROV） 6 2.2自主水下機(jī)器人(Autonomous underwater vehicles, AUV） 7 2.3新概念水下機(jī)器人 8 3水下仿生機(jī)器人（bionic underwater robot） 9 3.1　 水下仿生機(jī)器人主要研究和發(fā)展趨勢(shì) ( The 10 main research and development trends of 10 bionic underwater robot） 10 3.2 水下仿生機(jī)器人的問(wèn)題(The Problems of bionic underwater robot) 11 3.3 驅(qū)動(dòng)以及推進(jìn)方式 12 4 仿生創(chuàng)新思路 15 4.1以烏賊為代表的海洋動(dòng)物結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)方式 15 4.2 復(fù)合式水下仿生機(jī)器人 15 4.3 群體水下仿生機(jī)器人 16 5 結(jié)論 17 參考文獻(xiàn)： 17 水下機(jī)器人研究現(xiàn)狀與探索 朱鈺璇 摘　 要: 本文總結(jié)了水下機(jī)器人的研究歷史，現(xiàn)狀與目前的發(fā)展趨勢(shì)，具體分析了現(xiàn)代水下機(jī)器人應(yīng)用的技術(shù)，指出他們的優(yōu)缺點(diǎn)，并且針對(duì)未來(lái)的深海探索機(jī)器人的材料，結(jié)構(gòu)，移動(dòng)方式，動(dòng)力來(lái)源，仿造烏賊等海洋軟體動(dòng)物提出設(shè)想，實(shí)際應(yīng)用前景廣闊。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 水下仿生機(jī)器人在智能材料制成的驅(qū)動(dòng)裝置、游動(dòng)機(jī)理方面會(huì)不斷地完善, 在個(gè)體的智能化和群體的協(xié)作方面也會(huì)有很大的發(fā)展。 關(guān)鍵詞: 水下機(jī)器人；深海探索；仿生； PRESENT STATE AND FUTURE DEVELOPMENT OF UNMANNED UNDERWATER VEHICLE TECHNOLOGY RESEARCH ZHU Yuxuan Abstract: In this paper, the history, present situation and future of Unmanned underwater vehicle technology are summarized. We also further describe the mobile robot technologies concerning Unmanned underwater vehicle . In addition, point out the advantages and disadvantages of these technologies . And the exploration of the robot which used to explore the deep sea in the future of material, structure, movement way, the power source, puts forward the idea imitating Vampire Squid. Broad practical application prospects can be expected. With the development of science and technology, bionic underwater robot will be improved in driving system made - up by smart materials and locomotion theories gradually, individual intelligence and team cooperation. Keywords: Unmanned underwater vehicle；the exploration of deep sea; Bionic 1 引言( Introduction) 世界海洋機(jī)器人(unmanned marine vehicles, UMV)發(fā)展的歷史大約60年，經(jīng)歷了從載人到無(wú)人，從遙控到自主的主要階段。加拿大國(guó)際潛水器工程公司(ISE)總裁麥克·法蘭將海洋機(jī)器人的發(fā)展歷史分為4個(gè)階段 [1]，并將前3個(gè)階段稱為革命(revolution)：第一次革命在20世紀(jì)60年代，以3人潛水器為標(biāo)志；第二次革命為70年代，以遙控水下機(jī)器人的迅速發(fā)展為特征；第三次革命大體為80 年代，以自主水下機(jī)器人的發(fā)展和水面機(jī)器人(USV)的出現(xiàn)為標(biāo)志?，F(xiàn)在則是混合型海洋機(jī)器人的時(shí)代。 水下機(jī)器人(Unmanned underwater vehicle, UUV)是一種可在水下移動(dòng)、具有感知系統(tǒng)、通過(guò)遙控或自主操作方式、使用機(jī)械手或其他工具代替或輔助人去完成水下作業(yè)任務(wù)的機(jī)電一體化智能裝置。水下機(jī)器人是人類認(rèn)識(shí)海洋、開發(fā)海洋不可缺少的工具之一,亦是建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)、捍衛(wèi)國(guó)家安全和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展所必需的一種高技術(shù)手段。 水下機(jī)器人的移動(dòng)方式十分多樣。螺旋槳推進(jìn)的水下機(jī)器人存在流體推進(jìn)效率低、動(dòng)作不靈活、噪音大、槳葉會(huì)傷害海洋動(dòng)物等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題,游動(dòng)水下仿生機(jī)器人如機(jī)器魚應(yīng)運(yùn)而生,但它們耐壓能力較低。軟體動(dòng)物烏賊憑借噴射和鰭波動(dòng)的高效、靈活的復(fù)合游動(dòng)方式,成功地與魚類競(jìng)技海洋;它們依靠肌肉性靜水骨骼,活躍于從上千米的深海至海平面的廣闊海域。 [2]就當(dāng)前水下仿生機(jī)器人的發(fā)展水平來(lái)看，現(xiàn)有水下仿生機(jī)器人的功能特性仍然與被模仿的生物存在很大差距。生物體本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律又難以觀測(cè)，學(xué)科交叉方面也存在問(wèn)題。這都限制了仿機(jī)器人的發(fā)展。在未來(lái)的發(fā)展中，應(yīng)利用多學(xué)科優(yōu)勢(shì)并從生物性能出發(fā)，使得水下仿生機(jī)器人向著結(jié)構(gòu)與生物材料一體化的類生命系統(tǒng)發(fā)展，才能在生產(chǎn)生活中發(fā)揮更為重要的作用。[3] 2　 水下機(jī)器人分類 ( The categories of underwater robot ) 水下機(jī)器人在機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域?qū)儆诜?wù)機(jī)器人類，它包括有纜遙控水下機(jī)器人(remotely operated vehicles, ROV)和自主水下機(jī)器人(autonomous underwater vehicles, AUV)2大類。此外由于載人潛水器在技術(shù)和功能上與水下機(jī)器人有共性,我們將其納入水下機(jī)器人類。其實(shí)這3類機(jī)器人的主要差異在于操作模式， ROV 是拴在宿主艦船上，由操作人員持續(xù)控制；AUV 則是可經(jīng)過(guò)編程航行至一個(gè)或多個(gè)航點(diǎn)，自帶電能，不用纜線。美軍在 2014 年搜尋馬航客機(jī)殘骸出動(dòng)的“金槍魚”就屬于 AUV。但是這兩種類型的無(wú)人潛航器（UUV）同樣都會(huì)涉及到包括仿生、智能控制、水下目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別、水下導(dǎo)航（定位）、通訊、能源系統(tǒng)等六大技術(shù)。目前，水下機(jī)器人主要于水產(chǎn)養(yǎng)殖、水下結(jié)構(gòu)勘查、水底殘骸估測(cè)、救援、環(huán)境生態(tài)監(jiān)測(cè)、水下攝影等領(lǐng)域。比如，在 2011 年的日本海嘯后，就有使用大量的水下機(jī)器人幫助水產(chǎn)行業(yè)恢復(fù)；德國(guó)則是把“海獺”水下機(jī)器人用于近海石油調(diào)查、通信線路檢查、軍事應(yīng)用以及深海探測(cè)打撈等。 2.1遙控式水下機(jī)器人(remotely operated vehicles, ROV） ROV的能源和控制指令都由水面控制臺(tái)提供，通過(guò)臍帶纜傳遞給ROV。ROV的有點(diǎn)在于動(dòng)力充足可以支撐復(fù)雜或大型的探測(cè)設(shè)備，信息采集和數(shù)據(jù)傳送工作快捷方便，數(shù)據(jù)采集量大，由于其操作控制和信號(hào)處理等工作全部由水面的計(jì)算機(jī)和工作站來(lái)完成，人機(jī)交互水平高于AUV，所以ROV的總體決策能力要高于AUV。ROV的致命缺陷就是自身的生命線臍帶纜，在短程操作中問(wèn)題不大，但是在長(zhǎng)距離水下作業(yè)中，臍帶纜很容易與水下其他結(jié)構(gòu)發(fā)生纏繞，當(dāng)距離較長(zhǎng)時(shí)，對(duì)ROV的動(dòng)力也是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。 圖1列出了2002年和2008年遙控水下機(jī)器人數(shù)量按深度分布的情況。從圖中可以看出：潛神小于1000m的機(jī)器人占總量的40%左右，這是由于絕大多數(shù)海洋資源在近海，近海水下生產(chǎn)活動(dòng)多，需求量最大；中等潛深（2000~4000m）的大約占26%主要服務(wù)于深水油氣生產(chǎn)及大洋中脊的科研活動(dòng)潛深大于7000m的占31%。 圖1 ROV按深度的數(shù)量分布（%） Fig. Quantitative distribution of ROV by depth(%) 注：圖中深色為2002年數(shù)據(jù)，淺色為2008年數(shù)據(jù)，縱坐標(biāo)為數(shù)量/總量的百分比，橫坐標(biāo)×1000m為深度。根據(jù)[4]數(shù)據(jù)繪制 2.2自主水下機(jī)器人(Autonomous underwater vehicles, AUV） AUV涉及流體力學(xué)、水聲學(xué)、光學(xué)、通信、導(dǎo)航、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)科學(xué)、傳感器技術(shù)、仿生學(xué)等眾多領(lǐng)域的高新技術(shù)，成為當(dāng)代科技最新成果的結(jié)晶。AUV在水下通過(guò)各類傳感器測(cè)量信號(hào)，經(jīng)過(guò)機(jī)載CPU進(jìn)行處理決策，獨(dú)立完成各種操作，例如進(jìn)行水下機(jī)動(dòng)航行，動(dòng)力定位，信息采集，水下探測(cè)等。通常這種機(jī)器人依靠水聲通訊技術(shù)與岸基和船基進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，或者浮出水面，撐起無(wú)線電天線，與陸基和衛(wèi)星進(jìn)行通訊。AUV的能源完全依靠自身提供，往往自身攜帶可充電電池、燃料電池、閉式柴油機(jī)等。該類設(shè)備優(yōu)點(diǎn)是活動(dòng)范圍可以不受空間限制，并且沒(méi)有臍帶纜，不會(huì)發(fā)生臍帶纜與水下結(jié)構(gòu)物纏繞問(wèn)題，但是水下的續(xù)航能力和負(fù)載能力受到自身能源的強(qiáng)烈制約，只能完成一些短程和輕載的工作，而自身的CPU處理能力又很大程度上限制了AUV所能從事工作的復(fù)雜程度。 AUV在實(shí)際的水下作業(yè)中無(wú)需人工干預(yù)，它們可以自主地航行在難于接近的、無(wú)法預(yù)知的或危險(xiǎn)的海洋環(huán)境之中，完成自主導(dǎo)航、自主避障和自主作業(yè)等任務(wù)。因此，AUV成為完成各種水下任務(wù)的有力工具，例如，在海洋工程領(lǐng)域，可用于施工前調(diào)查、施工中監(jiān)視、施工后巡檢，水下作業(yè)支援，水下施工、維護(hù)、維修等；在海洋科學(xué)研究領(lǐng)域，可以海洋環(huán)境數(shù)據(jù)采集，海床地質(zhì)地貌勘察，海洋考察，及冰下科學(xué)考察；在軍事領(lǐng)域，則可用于敵情偵察，水雷戰(zhàn)與反水雷戰(zhàn)，援潛救生等。 ? 圖2 英國(guó)的“AUTOSUB” 3水下仿生機(jī)器人（bionic underwater robot） 圖4：水下仿生機(jī)器人發(fā)展歷程 3.1　 水下仿生機(jī)器人主要研究和發(fā)展趨勢(shì) ( The main research and development trends of bionic underwater robot） 仿生機(jī)器魚(bio-mimetic robot fish)又名機(jī)械魚，人工魚或魚形機(jī)器人)，顧名思義即參照魚類游動(dòng)的推進(jìn)機(jī)理利用機(jī)械電子元器件或智能材料(smart material)來(lái)實(shí)現(xiàn)水下推進(jìn)的一種運(yùn)動(dòng)裝置。魚類是最早的脊椎動(dòng)物之一，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的自然選擇進(jìn)化出非凡的水下運(yùn)動(dòng)能力，魚類的運(yùn)動(dòng)具有高效、高機(jī)動(dòng)、低噪聲等特點(diǎn)。國(guó)外學(xué)者很早就致力于對(duì)魚類推進(jìn)模式及仿生機(jī)器魚的研究。對(duì)魚類的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能、工作原理及控制機(jī)制等進(jìn)行模仿、再造，能提高水下機(jī)器人的推進(jìn)效率和速度，使水下機(jī)器人更適合在狹窄、復(fù)雜和動(dòng)態(tài)的水下環(huán)境中進(jìn)行監(jiān)測(cè)、搜索、勘探、救援等作業(yè)。1994年MIT研究組成功研制了世界上第一條真正意義上的仿生金槍魚。（如上圖）該階段機(jī)器魚主要采用 BCF 推進(jìn)模型，研究人員致力于如何提高推進(jìn)效率以及提高機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)靈活性。此后，結(jié)合仿生學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、材料學(xué)和自動(dòng)控制的新發(fā)展，仿生機(jī)器魚的研制漸成熱點(diǎn)。 大部分魚類的推進(jìn)方式分為身體尾鰭（body and/or caudal fin，BCF）推進(jìn)模式和中間鰭對(duì)鰭（median and/or paired fin，MPF）推進(jìn)模式兩種。其中，采用BCF模式游動(dòng)的魚類，主要通過(guò)身體的波動(dòng)和尾鰭的擺動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)力，其瞬時(shí)游動(dòng)的加速性能好，周期游動(dòng)的巡航能力強(qiáng)；采用MPF模式的魚類，主要依靠胸鰭或腹鰭的擺動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)力，其機(jī)動(dòng)性能好。如 2010 年新加坡南洋理工大學(xué)研制的“RoMan-II”仿生蝠鲼試驗(yàn)樣機(jī)（圖5），身體兩側(cè)平均分布有 6 個(gè)柔性鰭條，通過(guò)鰭條的拍動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)力，可實(shí)現(xiàn)各個(gè)方向的機(jī)動(dòng)性，該樣機(jī)可完成 原地轉(zhuǎn)彎和直線后退等高難度動(dòng)作，穩(wěn)定巡航時(shí)，速度可達(dá)到 0.5 m/s [5] 。 圖5 圖6 近年來(lái)，隨著仿生材料、柔性材料的出現(xiàn)，采用柔性驅(qū)動(dòng)成為了水下仿生機(jī)器人的一個(gè)研究熱點(diǎn)。如 2011 年，美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)研制的仿生蝠鲼（圖6），質(zhì)量為 55.3 g。該仿生蝠鲼的鰭條采用人工肌肉產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)水池游動(dòng)試驗(yàn)測(cè)定其速度可達(dá) 0.4 cm/s 。此外，美國(guó)哈佛大學(xué)也進(jìn)行了柔性驅(qū)動(dòng)的相關(guān)研究，并研制了利用柔性胸鰭進(jìn)行推動(dòng)的水下機(jī)器魚。 3.2 水下仿生機(jī)器人的問(wèn)題(The Problems of bionic underwater robot) 水下仿生機(jī)器人發(fā)展至今，對(duì)其研究取得了一系列的成果，顯示出了廣闊的應(yīng)用前景和極強(qiáng)的生命力。但由于其學(xué)科交叉性，發(fā)展至今依然存在“形似而神不似”、實(shí)際應(yīng)用有限等諸多問(wèn)題。其中有一些是仿生機(jī)器人的共性。首先，科學(xué)家們對(duì)海洋生物的生物機(jī)理了解不夠透徹，學(xué)科交叉不夠成功。其次，當(dāng)前機(jī)器人多采用剛性結(jié)構(gòu)，這固然有著運(yùn)動(dòng)精確的優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)的剛性使其環(huán)境適應(yīng)性較差，在狹窄空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)受到限制，無(wú)法通過(guò)尺度小于機(jī)器人尺度或形狀復(fù)雜的通道，并且，剛性結(jié)構(gòu)也難以適應(yīng)深海水壓變化。（如表一）第三，現(xiàn)代仿生材料已經(jīng)發(fā)展到了較高的階段，具有最合理的宏觀、微觀結(jié)構(gòu)，并具有自適應(yīng)性和自愈合能力。在比強(qiáng)度、比剛度與韌性等綜合性能上都是最佳的然而對(duì)于水下機(jī)器人的研究工作并沒(méi)有很好地應(yīng)用這些成果。第四，現(xiàn)有的仿生驅(qū)動(dòng)方式以機(jī)電驅(qū)動(dòng)為主，相較于生物憑借微量化學(xué)物質(zhì)就能轉(zhuǎn)化出巨大能量來(lái)講，能量轉(zhuǎn)換效率上難以望其項(xiàng)背。 表一：各種機(jī)器人特性比較[6] 3.3 驅(qū)動(dòng)以及推進(jìn)方式 剛性機(jī)體結(jié)合簡(jiǎn)單形變?nèi)嵝孕伥?，?duì)仿生原型的機(jī)體結(jié)構(gòu)，尤其是胸鰭的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了大量的簡(jiǎn)化。僅保留其擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)特征，而忽略其復(fù)雜的構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)功能仿生。樣機(jī)采用剛性的中部機(jī)體，以膜狀或板狀柔性材料構(gòu)成胸鰭鰭面，胸鰭一般采用剛性或柔性鰭條作為加強(qiáng)肋，并起到驅(qū)動(dòng)作用。 典型樣機(jī)為 2004 年日本科研工作者 IMAE所開發(fā)，這也是首臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)水下自由游動(dòng)的采用胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)模式的仿生魚。樣機(jī)如圖 7 所示，其胸鰭采用柔性乙烯樹脂薄膜，鰭骨為淬火鋼帶，以剛性雙四桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)胸鰭前緣帶動(dòng)胸鰭鰭面實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。樣機(jī)長(zhǎng) 0.65 m，展寬 0.5 m，質(zhì)量 0.64 kg，利用尾部的方向舵控制樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向。下潛深度1.5 m 左右，一次充電可續(xù)航 0.5 h，防水性能良好。全速游動(dòng)速度比人的步行速度稍慢，約為 0.6 m/s。[7] 圖 7 首臺(tái)胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)仿生魚 全柔性機(jī)體指仿生樣機(jī)制作采用柔性材料制樣機(jī)機(jī)體。全柔性機(jī)體制作根據(jù)胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)的變形需求和仿生原型的構(gòu)型特點(diǎn)，對(duì)機(jī)體的柔性分布進(jìn)行設(shè)計(jì)，樣機(jī)設(shè)計(jì)接近功能仿生與形態(tài)仿生相結(jié)合。樣機(jī)實(shí)現(xiàn)水下自由運(yùn)動(dòng)較為困難，但能夠更加有效地探究仿生原型特有的結(jié)構(gòu)特征對(duì)仿生推進(jìn)性能的影響。 典型樣機(jī)為由日本大阪大學(xué) SUZUMORI等 [8][9] 澆筑制作的 Manta Robot，如圖 9 所示。2005年開始，SUZUMORI 等對(duì)比研究了對(duì)稱剛度胸鰭與非對(duì)稱剛度胸鰭在推進(jìn)力以及推進(jìn)效率方面的區(qū)別。在對(duì)被動(dòng)柔性胸鰭和主動(dòng)柔性胸鰭深入研究的基礎(chǔ)上，于 2007 年成功設(shè)計(jì)了氣動(dòng)橡膠空腔致動(dòng)器，原理應(yīng)用于水下仿生機(jī)器人的制作。之后，以硅橡膠為基材澆筑制作了氣動(dòng)空腔驅(qū)動(dòng)的 Manta Robot。樣機(jī)采用外置氣源驅(qū)動(dòng)，長(zhǎng) 0.15 m，翼展0.17 m，最大游動(dòng)速度 0.1 m/s，能夠?qū)崿F(xiàn)非常類似于蝠鲼的胸鰭擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。該樣機(jī)驅(qū)動(dòng)源外置，且沒(méi)有負(fù)載空間，不利于自主控制和遠(yuǎn)距離航行。 (1) 功能仿生為主。(2) 剛性機(jī)構(gòu)。現(xiàn)有采用胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)模式仿生魚樣機(jī)的驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)多是剛性并且分離的，無(wú)法產(chǎn)生整體漸變的柔性變形，造成胸鰭運(yùn)動(dòng)過(guò)程的柔順性不足。(3) 傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器。除個(gè)別采用記憶合金或者氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)外，傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)仍作為胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)仿生魚樣機(jī)主要應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)器(4) 控制方式。有纜控制和無(wú)線遙控作為主要的控制方式，限制了仿生樣機(jī)的可控運(yùn)動(dòng)范圍。并且，受限于水下的復(fù)雜環(huán)境，采用多傳感器融合的水下自主游動(dòng)尚不穩(wěn)定。 圖 8 全柔性 Manta Robot 樣機(jī) 傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式存在一些缺點(diǎn)：如重量大, 反應(yīng)不敏捷等, 使水下仿生機(jī)器人的發(fā)展和應(yīng)用受到了很大限制。于是, 許多國(guó)家開展了新型智能驅(qū)動(dòng)材料的研究,如:利用形狀記憶合金(Shape memory alloy ，SMA)、電流驅(qū)動(dòng)聚合物(Electroactive polymer，EAP) 、壓電陶瓷等智能材料進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并研究了身體波動(dòng)推進(jìn)、胸鰭波動(dòng)推進(jìn)等游動(dòng)方式。由于 EAP 技術(shù)尚不成熟，利用EAP 驅(qū)動(dòng)的仿生胸鰭波動(dòng)推進(jìn)器輸出力較小，而且嘗試較多的離子交換膜金屬?gòu)?fù)合材料 (Ionic exchange polymer metal composites，IPMC)需要保持濕潤(rùn)，姿態(tài)保持較難，限制了其應(yīng)用。電流驅(qū)動(dòng)聚合物( Electro Active Polymers , 簡(jiǎn)稱 EAP )是人工肌肉的一種, 由導(dǎo)電高分子材料集束在一起制成的像肌肉一樣的復(fù)合體, 通過(guò)電流激活高分子材料中的離子或電子, 使之完成伸縮、折曲的動(dòng)作, 控制電流強(qiáng)弱可調(diào)整離子或電子的多少, 從而改變其伸縮性。低能耗、無(wú)噪聲、高彈性、輕質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)使其成為制造新型仿生水機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置的智能材料。 4 仿生創(chuàng)新思路 總的來(lái)說(shuō)，當(dāng)前的水下機(jī)器人主要是在仿生機(jī)理研究，仿生結(jié)構(gòu)，仿生材料，控制感知方式的方面存在局限性。這些方面的問(wèn)題也是我們開發(fā)深海探索機(jī)器人所面臨的主要問(wèn)題。從這四個(gè)角度出發(fā)，我來(lái)談?wù)勎易约旱囊稽c(diǎn)設(shè)想。 4.1以烏賊為代表的海洋動(dòng)物結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)方式 除了噴水推進(jìn)時(shí)的烏賊等動(dòng)物外，大多數(shù)魚類和鰭推進(jìn)時(shí)的烏賊等游動(dòng)的基本動(dòng)作單元都是柔性彎曲。烏賊除了烏賊骨和喙之外，沒(méi)有任何剛性骨骼，而是由一種稱作肌肉性靜水骨骼的三維肌肉陣列來(lái)支撐和驅(qū)動(dòng)。這種柔性骨骼沒(méi)有任何充氣結(jié)構(gòu)，使烏賊能承受較大的壓強(qiáng)，潛入較深的海域，例如在上千米的深海也生活著多種烏賊烏賊擁有高超游動(dòng)能力，具有耐壓結(jié)構(gòu)，游動(dòng)方式復(fù)合，對(duì)其進(jìn)行深入研究，能夠彌補(bǔ)機(jī)器魚未采用彈性機(jī)制來(lái)提高能量利用效率和多使用剛性結(jié)構(gòu)耐壓能力低等的不足。分析烏賊噴射和鰭波動(dòng)推進(jìn)的游動(dòng)機(jī)理，烏賊運(yùn)用的復(fù)合游動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是能瞬時(shí)改變游動(dòng)方向，噪聲低，以及即使烏賊的噴射速度低于周圍流體速度，也能產(chǎn)生推力。烏賊體內(nèi)外套膜腔內(nèi)外靜壓平衡，進(jìn)一步提高了它們的耐壓能力。烏賊動(dòng)作時(shí)，彈性機(jī)制能夠減少能量消耗，提高能量利用效率。若能將烏賊的游動(dòng)方式、肌肉組織結(jié)構(gòu)和彈性機(jī)制等特點(diǎn)應(yīng)用到水下仿生機(jī)器人上，將使其更加高效、靈活和耐壓。[10] 4.2 復(fù)合式水下仿生機(jī)器人 現(xiàn)在的軟體機(jī)器人大部分以柔軟的硅橡膠為材料，這使得仿生機(jī)器人能在障礙物之間穿行而不會(huì)造成嚴(yán)重的損害。然而在電池以及其他用于電子控制的電子部件上一直難以找到合適的替代材料，因此難以做到全柔性結(jié)構(gòu)。此前，也有MIT的研究人員嘗試放棄傳統(tǒng)的機(jī)電驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)在仿生魚尾鰭部分注入二氧化碳，替換之前以關(guān)節(jié)加馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，也使得機(jī)器魚變得更有爆發(fā)力，在噴射氣流的同時(shí)使能在瞬間完成100度的轉(zhuǎn)向。不過(guò)由于魚身裝載氣體有限，目前該機(jī)器魚在水下的持續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間僅為幾分鐘。 但是這還是給了我們一些啟發(fā)，類比生物體消耗糖類產(chǎn)生能量，我們可以利用海水之中豐富的化學(xué)物質(zhì)或者就和水反應(yīng)，比如說(shuō)在機(jī)器人內(nèi)部放入鈉和減緩反應(yīng)激烈程度的催化劑，在機(jī)器人體內(nèi)設(shè)置恰當(dāng)?shù)倪壿嬒到y(tǒng)以及流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這樣控制氣體的流速以及反應(yīng)的劇烈程度。使用噴氣推進(jìn)技術(shù)，主要用于轉(zhuǎn)向以及加速。仿生材料使用人造肌肉結(jié)構(gòu),在軟體材料內(nèi)部制造真空，實(shí)現(xiàn)了人造肌肉的收縮而非膨脹。這種新型的人造肌肉更加接近天然肌肉的運(yùn)動(dòng)模式，并且由于收縮運(yùn)動(dòng)沒(méi)有因充氣過(guò)度而爆炸的危險(xiǎn)，這種人造肌肉也更加安全。同時(shí)仿造烏賊的生理結(jié)構(gòu)，達(dá)成內(nèi)外水壓平衡。這種復(fù)合式的運(yùn)動(dòng)方式無(wú)疑會(huì)大大加強(qiáng)仿生機(jī)器人的靈活性，促使其適應(yīng)海洋的復(fù)雜環(huán)境，應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況。 此外，該機(jī)器人還應(yīng)當(dāng)能效仿魚類的逃避反應(yīng)，它的結(jié)構(gòu)類似海豚，但是使用的噴氣推進(jìn)技術(shù)類似于水母和魷魚；為了研發(fā)具有肌肉的魚形機(jī)器人。需要研發(fā)特殊的制動(dòng)器。還有中樞模式發(fā)生器，這將使魚形機(jī)器人對(duì)外界刺激做出反應(yīng)從而在關(guān)鍵任務(wù)中做出重要決策。 章魚運(yùn)動(dòng)皮層的特定區(qū)域并不對(duì)應(yīng)身體的特定部位，每個(gè)區(qū)域在不同時(shí)間控制不同部位；而且許多運(yùn)動(dòng)不是受大腦控制而是受外圍神經(jīng)控制，章魚大腦發(fā)出一條一般性的指令，觸手計(jì)算出具體的信號(hào)，就好像分時(shí)操作系統(tǒng)。仿生機(jī)器人的神經(jīng)系統(tǒng)也可以仿照這種結(jié)構(gòu)研制。 4.3 群體水下仿生機(jī)器人 像螞蟻這類群居昆蟲，雖然沒(méi)有視覺(jué)，卻能找到由蟻巢到食物源的最短路徑 ，原因是什么呢?雖然單個(gè)螞蟻的行為極其簡(jiǎn)單 ,但由這樣的單個(gè)簡(jiǎn)單的個(gè)體所組成的蟻群群體卻表現(xiàn)出極其復(fù)雜的行為 ,能夠完成復(fù)雜的任務(wù) ,不僅如此 ,螞蟻還能夠適應(yīng)環(huán)境的變化 ,如: 在蟻群運(yùn)動(dòng)路線上突然出現(xiàn)障礙物時(shí) ,螞蟻能夠很快地重新找到最優(yōu)路徑 ,蟻群是如何完成這些復(fù)雜任務(wù)的呢? 所有這些問(wèn)題 ,很早就激起了生物學(xué)家和仿生學(xué)家的強(qiáng)烈興趣 ,仿生學(xué)家經(jīng)過(guò)大量細(xì)致觀察研究發(fā)現(xiàn) ,螞蟻個(gè)體之間是通過(guò)一種稱之為外激素 (pheromone)的物質(zhì)進(jìn)行信息傳遞 ,從而能相互協(xié)作 ,完成復(fù)雜的任務(wù).蟻群之所以表現(xiàn)出復(fù)雜有序的行為 ,個(gè)體之間的信息交流與相互協(xié)作起著重要的作用。[11] 由此可見(jiàn)，對(duì)于深海那樣復(fù)雜未知的環(huán)境，我們應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)發(fā)展微型水下機(jī)器人，而不是巨型機(jī)器人。就好比單條魚的力量很弱小, 游動(dòng)動(dòng)作很簡(jiǎn)單, 但作為一個(gè)群體, 魚類在攫取食餌、逃避敵害、群體洄游等方面表現(xiàn)出較強(qiáng)的群體力量。同樣地, 單個(gè)水下仿生機(jī)器人的活動(dòng)范圍和能力也是非常有限的。但是水下仿生機(jī)器人將在復(fù)雜環(huán)境下執(zhí)行水下作業(yè)、海洋監(jiān)測(cè)、海洋生物觀察等艱巨的任務(wù)。因此, 具有高機(jī)動(dòng)性、高靈活性、高效率、高協(xié)作性的群體水下仿生機(jī)器人系統(tǒng)將是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。 5 結(jié)論(Conclusion ) 綜上所述，盡管對(duì)水下機(jī)器人的研究已經(jīng)取得了一些成就，但是其實(shí)對(duì)它的研究還處在起步階段。水下仿生機(jī)器人涉及到材料科學(xué)、化學(xué)、微機(jī)電、液壓、控制等多學(xué)科，從材料、設(shè)計(jì)、加工、傳感到控制、使用均存在著一系列問(wèn)題需要繼續(xù)研究。如何制造純?nèi)嵝缘乃聶C(jī)器人？如何更好地運(yùn)用現(xiàn)有的新型仿生材料？如何提高能量利用率，找到更加合適的驅(qū)動(dòng)方式？這些問(wèn)題都亟待我們解決。水下機(jī)器人作為一種裝備歸于高端制造業(yè), 屬于國(guó)家支持的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)范疇,具有戰(zhàn)略制高點(diǎn)的作用?？偟膩?lái)說(shuō)，海洋空間不適合人類的生存，大規(guī)模開發(fā)和利用海洋資源對(duì)機(jī)器人和機(jī)器人技術(shù)有很大的期待和依賴。以機(jī)器人代替人推動(dòng)和實(shí)現(xiàn)海洋裝備無(wú)人化具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。 參考文獻(xiàn)： [1] McFarlane J R. 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