記者 陸成寬
根據(jù)蝙蝠通過超聲波定位的原理，人們仿制出了雷達；模擬魚通過魚瞟的縮小或膨脹，在水中實現(xiàn)下沉或上浮，科學家制造出了潛水艇；模仿蛋殼的力學原理，建設(shè)師設(shè)計出了薄殼建筑……生活中仿生學的案例，我們早已屢見不鮮。
自古以來，自然界就是人類各種技術(shù)思想、工程原理及重大發(fā)明的源泉。
目前，我國水下無人機器人仍存在不少“短板”，如續(xù)航能力弱、能耗高、無法實現(xiàn)對固定區(qū)域的長時間定點布控。此外，依靠螺旋槳推進的機器人一般噪聲較大，易驚擾魚群暴露目標……
作為典型的海洋浮游生物，水母通過腔體的收縮與擴張，實現(xiàn)了高效、靈活的噴射式推進，為科學家設(shè)計和開發(fā)噴射式推進水下仿生機器人提供了重要參考。
最近，中國科學院自動化研究所的研究人員受水母噴射式推進方式啟發(fā)，研制了一款機動靈活的仿生機器水母系統(tǒng)，并構(gòu)建了基于強化學習的運動控制器，解決了仿生機器水母的三維姿態(tài)控制問題，實現(xiàn)了三維空間的仿水母游動及姿態(tài)自主調(diào)整。相關(guān)研究成果發(fā)表于《中國科學：信息科學（英文版）》上。
實際上，水母的噴射推進方式很早就吸引了國內(nèi)外研究學者的關(guān)注。他們系統(tǒng)性地研究了水母的形態(tài)結(jié)構(gòu)和推進機理，并采用形狀記憶合金、離子聚合物金屬復合材料和介電彈性體致動器等智能材料研制開發(fā)了多種仿生機器水母。
“但是，此類仿生機器水母通常速度較慢，靈活性較差，絕大多數(shù)都不能靈活自主地調(diào)整三維空間的游動姿態(tài)，為后續(xù)實際應用帶來困難與挑戰(zhàn)。”論文通訊作者、中國科學院自動化研究所研究員喻俊志說道。
針對這些問題，研究人員從仿生機器水母的機構(gòu)設(shè)計與運動控制兩方面進行了重點攻關(guān)。
在機構(gòu)設(shè)計方面，為了模仿水母腔體收縮和擴張運動，該項研究采用多連桿機構(gòu)設(shè)計了仿生機器水母。所研制的仿生機器水母高138 mm，重8.2 kg。
喻俊志介紹，具體來講，四個多連桿機構(gòu)呈中心對稱地分布在仿生機器水母中心線四周，并附粘一圈橡膠外皮以形成密閉的腔體。通過多連桿機構(gòu)的運動帶動外皮收縮和擴張，實現(xiàn)仿水母式噴射推進。
為增加三維機動能力，研究人員在仿生機器水母機構(gòu)設(shè)計中增加了重心調(diào)節(jié)機構(gòu)。利用該機構(gòu)調(diào)整配重塊的位置，能夠?qū)崟r調(diào)整仿生機器水母的三維姿態(tài)。
在運動控制方面，考慮到仿生機器水母建模的復雜性、強耦合和非線性等問題，采用傳統(tǒng)控制方法存在一定困難。因此，研究人員提出了基于強化學習的仿生機器水母姿態(tài)控制方法，通過構(gòu)建基于強化學習的仿生機器水母姿態(tài)控制器，使仿生機器水母具有自主學習并完成姿態(tài)控制的能力。通過一系列仿真及水池實驗證明了所提方法的有效性。
我們研究提出了一種機動型仿生機器水母的機構(gòu)設(shè)計與自主學習姿態(tài)控制方法，不僅實現(xiàn)了仿生機器水母三維空間的靈活運動，提高了仿生機器水母的機動能力，而且為高性能仿生水下航行器的研制和應用提供了重要理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)支撐。
喻俊志表示，仿生機器水母的研究可以為進一步揭示生物水母的噴射推進機制提供良好的試驗平臺，同時還可以通過搭載各類載荷系統(tǒng)，為水下探索、檢測以及信號中繼等提供更加隱蔽和穩(wěn)定的載體，甚至可以在將來執(zhí)行水下救援、水下軍事偵察等任務(wù)。
