作者:赵广立 来源:中国科学报 发布时间:2022/5/27 9:51:47
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毁掉兴趣的方式是当成事业?吴正兴:我越陷越深

 

有人说,毁掉一个兴趣的最快方式,就是把它当成事业去做。对此,吴正兴可不认同。

十多年前还在读研时,想到仿生,吴正兴头脑中浮现的是有趣、知识、创新等词汇。而今当他和团队亲手把仿生机器海豚、仿生金枪鱼、仿生蝠鲼等放进湖里、海里后,他的感受又丰富了许多。

把仿生机器鱼当成事业,吴正兴不仅没有失去兴趣,还“越陷越深”——迄今为止,他所发表和参与发表的数十篇SCI 期刊论文、已授权的国际国内30多项发明专利、所主持的10项基金或人才项目,都离不开“水下仿生智能机器人”这个关键词。今年,他又凭借长期出色的水下仿生机器人系统研发工作,荣获第一届“中国科学院青年五四奖章”。

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吴正兴 本人供图

“越了解越神往”

鲁班被锯齿草划伤手臂,受启发发明了锯子;科学家根据蝙蝠的超声定位,发明了雷达……少年时,吴正兴就对这些故事格外感兴趣。大自然是个宝库!于是他时不时地就会留意身边的自然万物,心想着会不会受启发发明一些新东西。

兴趣归兴趣,在读研之前,吴正兴也没想过自己会从事与仿生相关的科学研究。

吴正兴初到中国科学院自动化研究所读研时,课题组的方向是机器人控制。导师谭民研究员给了他半年时间,让他“根据自己的兴趣爱好去选择科研方向”。

那时他觉得仿生机器鱼“挺好玩”:利用各类知识,让一堆没有生命的机械零件像鱼一样在水里游来游去,这很神奇。没过多久,吴正兴就确定了自己的研究方向——水下仿生智能机器人。

在课题组老师们的帮助下,吴正兴查文献、找资料,对鱼类的机动性能有了更多认识。在搜阅材料中,他看到北美狗鱼在捕食时可以像射出的箭一样发起进攻,那视觉冲击力令人惊叹。于是,仿生机器狗鱼——它能模仿狗鱼的高机动运动,就成了吴正兴科研路上的第一条机器鱼。

随着研究的深入,吴正兴接触的知识越来越多、越来越丰富,他就越觉得鱼类真的很神奇。“我心里会止不住地想要把这些功能都仿生出来,这促使着我继续往下挖,也让我更坚定地喜欢做这个方向。”

吴正兴所在团队选择的仿生对象,也各具特色。

海豚、鲨鱼和金枪鱼的游动采用的都是BCF模式(身体/尾鳍推进模式),能够高速高效率游动。但海豚与鲨鱼、金枪鱼又不太一样:它在游动中身体具有更明显的柔性波动,机动能力特别强,能够轻易做出跃水、滑浪等动作。

蝠鲼则采取MPF模式(中间鳍/对鳍推进模式)游动,它用两侧宽大的胸鳍推动身体,稳定性更佳。研究团队分别以它们作为仿生对象,给水下仿生机器人赋予了不同的特色和优势。

“我们团队以点斑原海豚为仿生对象研发的高速仿生机器海豚,实现了仿海豚式的连续跃水运动,表现出了非常好的高速、高机动能力;以金枪鱼为对象,研制的仿生机器金枪鱼实现了超过每秒3倍体长的游速,表现出非常好的高速性能;而以蝠鲼为对象,研制的仿生机器蝠鲼,实现了原地转向,竖直面内的翻滚运动,机动能力非常好,而且由于平台稳定性强,可以搭载一些摄像头等设备,实现水下拍摄、感知、识别等功能。”介绍起他们的机器鱼来,吴正兴如数家珍。

“工程经验是一点点积累的”

仿生机器鱼优越的游动性能,展现了很好的应用前景。然而,实验研究和工程应用,这中间还隔着许多鸿沟。

吴正兴说,实验室的水池和野外环境完全不同,理论方法和工程应用也是两套思路。“理论方法偏重验证性,工程应用则讲究实用性,后者对平台的稳定性、耐久性等提出了很高的要求。”

前期在工程应用中确实遇到了不少问题,但吴正兴和团队没有停下脚步。

明明在实验室测试时没问题,但在湖里、海里工作时间一长,机器鱼的密封性、结构稳定性就容易出“幺蛾子”。加之团队的工程经验不足,许多工程技术问题在机器鱼们走出实验室的过程中暴露出来。

兵来将挡,水来土掩。“这个过程就是‘迭代’。”吴正兴说,每一步的改进和优化都非常耗时耗力,但他们不辞辛苦。大家加班加点、日夜不辍,不断根据工程环境优化改进,硬是把仿生系统的工程能力给磨炼出来了。

吴正兴记得,博士刚毕业时他带着师弟和学生们做机器海豚试验,在北京找不到特别深的水池,只好租用一家潜水馆,但只能在晚上对方不用时才能去试验。于是,一到晚上,实验室几乎全员出动,抬机器、拍照、记录、控制……大家都抢着干,一做就是一个通宵。

“经验就是这样一点一滴积累的。”吴正兴告诉《中国科学报》,还有个好玩的变化可以说明一些问题:刚开始“海试”的时候,大家都不太适应,晕船厉害,有同事甚至在船上起不了床,他也吐得一塌糊涂;如今,大家上了船已经熟知该怎么保持状态了——什么时候该动、什么时候躺着、用多大动作幅度等等,俨然一个个“老水手”。

变化的诀窍是“遇到问题再晕再苦也不退缩”。吴正兴这支工程队伍以“85后”“90后”为主,用他的话说是“朝气蓬勃、意气风发、干劲十足、有活力有激情”。在自动化所研究员周超的带领下,他们“下得了海、熬得了夜、吃得了苦”, 遇到难题逢山开路、遇水搭桥,“都是这么过来的”。

现在,吴正兴所在团队研发的仿生机器海豚,已经可以搭载一些水质监测传感器去做一些实际的工作。他向记者介绍说,他们先后在北京雁栖湖、青海玉树水库等地成功开展了水质监测应用验证等,取得了不错的效果。

不过,他也告诉记者,团队现在的仿生机器鱼技术成熟度还有待提高,错综复杂的海洋、湖泊等的水文环境对机器鱼系统的稳定性和智能程度也有非常高的要求,他们的探索“仍在路上”。

精彩纷呈的仿生鱼世界

仿生机器鱼是一类新型水下移动机器人,它们的应用前景有着极大的想象空间。比如,它们可以是生物学家探索海洋生物的“第三只眼”,也可以是摄影师水下拍摄的“好搭档”,还可能成为水下救援、水下考古、水下设备检修、探测可燃冰等场景的重要工具。

吴正兴告诉《中国科学报》,目前,世界上有很多大学、科研机构、科技公司在研究仿生机器鱼。

例如,美国麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室主任Daniela Rus团队在软体气动仿生机器鱼研究方面很有特色,该团队研制的软体机器鱼携带有视觉传感器,能实现在海洋环境自主游动,相关成果曾发表在Science Robotics;美国弗吉尼亚大学Bart-Smith教授和哈佛大学GV Lauder教授合作团队也作出了卓见成效的成果,他们研制的高速仿生金枪鱼能实现4.6倍体长/秒的高速游动,且可实现变刚度调节,相关介绍也刊发在了Science Robotics上。

国内的研究也不甘落后。比如北京航空航天大学文力教授团队对?鱼的吸盘结构很感兴趣,研发了仿生吸盘,也把文章发表在Science Robotics上;浙江大学李铁风教授团队以柔性材料见长,他们的深海软体机器鱼令人印象深刻;西北工业大学潘光教授团队的工程化水平很高,实现了仿生蝠鲼千米深度的滑翔……吴正兴所在的研究团队,则把机器鱼的“高速、高机动性”作为重点方向,先后实现了仿生机器海豚的连续跃水运动、每秒670°转身的高机动仿生机器鱼、游速超过7倍体长/秒的高速机器鱼、仿生蝠鲼的竖直翻滚运动等等。

这些仿生机器鱼的研究各具特色、精彩纷呈。不过,跟真实的鱼类比起来,这些研究和工程化探索受限于材料和驱动器等技术,在长时间巡游速度、瞬时爆发力、感知水平等方面还差得远。

“仿生机器鱼从实验室走向工程应用确实不容易,我们一步步地在慢慢成长。”吴正兴对《中国科学报》说。

在仿生机器鱼这个方向深耕,研究团队培养了一批研究生,也取得了一系列科研成果。但是吴正兴觉得,许多成果都只发表了学术论文,“始终缺少一个系统性、全面性的总结”。

他找两位导师(谭民、喻俊志)商量,觉得应该把团队研究的一部分工作串联起来,系统性地做点总结。三人一拍即合,合著了专业科普书《水下仿生智能机器人》。在这本书中,他们介绍了几种机器鱼平台的仿生机构设计、运动建模和智能跟踪控制等内容。

“这些成果理论联系实际,介绍得非常详细,一是希望可以将我们的一些学术见解和心得体会进行介绍,以供与他人交流;二是希望可以为从事类似研究工作人员做些参考。”吴正兴接着说:“三是希望为一些学生和喜欢仿生机器鱼的人提供些科普读物,欢迎他们也能凭着兴趣,来到仿生鱼的精彩世界。”

 
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