仿生电鳐
仿生机器鱼家族
仿生机器鱼家族
机器鱼的尾部推进结构
机器鱼在诱导金鱼。
两栖机器狗在水中。
仿象鼻机械臂在拧开瓶盖。
学做机器鸟（扑翼飞行器）是吴贤铭智能工程学院本科生的必修课。
见识过工业机器人的钢筋铁骨，那么，你见过像大象鼻子一样灵活的机械臂、能像海豚一样游泳的机器鱼、会“狗刨”的两栖机器狗吗？它们全都诞生在广州，专家称之为“仿生机器人”。
本期《科技周刊》，记者来到位于华南理工大学国际校区的吴贤铭智能工程学院，探访正在这里研发的各类智能仿生机器人，探寻其中“道法自然”的魅力。专家们告诉记者，这些仿生机器人不仅能像各种动物一样行动自如，还在渔业、工业等诸多领域具有广泛的应用前景。
AI机器鱼：自学游泳 每秒3个身位
在吴贤铭智能工程学院的实验室内，记者见到了十几种大大小小形状各异的机器鱼，有中等个头的“草鱼”“鲟鱼”，也有个头较大的“小海豚”，还有个头十分扁平的“鳐鱼”。这些机器鱼都依据仿生学原理进行设计，游动时尾鳍会像真鱼一样摆动。
机器鱼有什么优势？
学院负责机器鱼研发的钟勇教授告诉记者，机器鱼是一类水下智能机器人，相比其他水下机器人，它最大的优势是高效。团队通过实验对比螺旋桨机器鱼与摆尾式机器鱼的样机，成功发现鱼类摆尾产生的力学效应，以及鱼群实现能量利用最大化的集群效应，这为仿生鱼技术的进一步发展提供了灵感和方向。通过仔细观察真鱼的运动轨迹和行为模式，团队不断优化仿生机器鱼的设计，使其更加贴近真实的鱼类。
机器鱼能游多快？
据介绍，这些机器鱼，目前游速最快可以实现每秒3个身位，即一秒钟可以游3倍体长的距离，步幅长度最高可达到0.7倍体长。因为非常节能，它可以在水里游动几个小时，也可以通过增加滑翔功能，进一步提高续航能力。
机器鱼有“脑子”吗？
当然，这些机器鱼也绝非“无脑游”。如今，结合相关人工智能算法，团队正在帮助这些机器鱼实现自主游动和目标追踪，让机器鱼游得越来越逼真，成为真正意义上的AI机器鱼，“我们通过人工智能深度学习的方式，让机器鱼自己去学游泳，就像我们人类婴儿学步一样，让机器鱼慢慢去摸索，而在机器鱼的目标追踪方面，我们也用了人工智能算法，可以让机器鱼在没有摄像头的情况下，学会追踪他的目标。现在，通过先进的人工智能算法，我们可以用红外传感器，在一堆复杂的物体中识别目标。”钟勇说。
机器鱼的动力是什么？
钟勇表示：“大部分水下机器人需要依靠螺旋桨作为动力，这类机器人的推进效率仅为60%~70%，而我们的仿生机器鱼依据仿生学原理，利用肌腱驱动的方式设计摆动尾鳍助推其前进，推进效率高达90%。哈佛大学曾经做过实验，给一条死鱼注入一些药水保持肌肉活力，再将其放入水流中，这条死鱼仍能向前游泳。另外，自然界中的鱼类洄游现象也给了我们很多灵感，让仿生机器鱼有效利用周围流场中的能量，实现更加高效地游动是我们的目标。”
仿生机器人一般在哪儿打工
机器鱼 在海洋牧场当“领头鱼”
机器鱼有哪些创新应用？钟勇告诉记者，学院的机器鱼已与湛江的水产公司开展相关项目合作，帮助公司用于深远海网箱养殖。
“我们发现鱼群和机器鱼相处得非常和谐，鱼群还会跟着机器鱼游，把机器鱼当作‘领头鱼’。”钟勇告诉记者，机器鱼不仅可以在水中遛鱼，还可以密切监控鱼群的行为。
此外，仿生机器鱼还可以进行水底地图绘制、水生物探测与监控，对于维护近海、河的水环境以及生物种群的多样性具有重要意义。在生活中，仿生机器鱼也可以用于海洋馆与游客互动展览或私人鱼缸宠物机器鱼使用。
钟勇认为，从科学研究与发现的角度，机器鱼也会带来新的研究方向。“船舶如何在逆流中前进？我们的传统办法是靠燃料、螺旋桨、吨位去对抗水的阻力。在自然界中，鱼群能实现洄游，逆流而上，源于它能很好地感知并利用水流中漩涡的能量帮助自己前进。鱼在水中游是非常省力的，这对我们接下来开发各类新型海工装备很有助益。”
经过十几年如一日的不懈努力，钟勇团队设计的多款机器鱼已拥有“冠军级”性能指标，也帮助团队的研究获得多个奖项。
象鼻机械臂 伸入小空间探测维修
钟勇告诉记者，团队正在研究像大象鼻子一样的机械臂，以解决工业机器人刚性机械臂的不足。
记者看到，钟勇团队设计的象鼻机械臂内部由一组电机和柔性可伸缩的弹簧组成，这一节节弹簧可以伸缩和旋转，变出各种姿态，在象鼻的最前方还安装了一支仿生软体抓手。“象鼻机械臂在狭小空间中的灵活性非常高，比如可用于发动机等狭小空间的探测与维修，象鼻机械臂可以直接伸进去，寻找并解决‘病灶’。”
钟勇告诉记者，尽管象鼻机械臂仍处于实验室阶段，但团队在很多方面已取得积极进展。例如，象鼻机械臂的制造工艺就很有创新性。以往，这类机械臂的传感器和驱动装置是分开制造的，结构设计完后还要再往上贴触觉传感器，降低了触觉传感器的使用寿命，也让机器人的设计受限。“我们开发了一套仿生软体的制造工艺，可以利用3D打印技术，一次性将驱动传感一体化结构制造出来，制造完之后，传感器就直接集成在里面。”
钟勇介绍，相比工业机器人的刚性机械臂，象鼻机械臂更加灵活和柔性，可以接触更加柔软的、易形变的物体，而不用担心损坏。
机器狗 既能陆地跑 又能水中游
近日，华南理工大学广州国际校区吴贤铭智能工程学院的李云泉副教授和陈晔副教授带领团队研发出一款具备水陆两栖能力的仿生机器狗。其既能在陆地小跑，又能在水中游泳，真正实现了“狗刨”式游泳，为仿生机器人在复杂自然环境中的应用开辟了新路径。
团队研发的这款水陆两栖机器狗长30厘米、宽10厘米、重2.25公斤，腿部采用了双关节结构设计。在陆地上，它的奔跑速度可达每秒1.2个身长；在水中则使用犬类划水灵感设计的“狗刨步态”，游泳速度达每秒0.54个身长，在国际水陆两栖机器人中处于领先水平。研究团队通过防水设计和重心位置优化，确保其在水中稳定推进、姿态自然，仿佛一只真正的小狗在池塘中畅游。
“我们做仿生机器人，并不是为了简单模仿动物，而是希望借助这种平台，深入研究生物的运动原理，并推动在真实任务中的应用。”李云泉表示。这一创新不仅填补了仿生四足机器人在水域运动能力上的空白，也为应对自然灾害、野外探索等复杂任务中需要“翻山涉水”的运动能力提供了智能化解决方案。
机器鸟 有事可救灾 没事当教具
在吴贤铭智能工程学院，学做机器鸟（扑翼飞行器）已是大一本科生的必修工程劳动课程，也是学生的仿生学入门课程。
扑翼飞行器是一种模仿鸟类、昆虫等自然生物飞行机制的飞行器，通过扑动翅膀产生升力和推力实现飞行。尽管扑翼飞行器原理简单，但对于学生理解仿生学有非常大的帮助，扑翼飞行器在加载智能模块后，还有广泛的应用前景，成为低空经济中的重要一环。
如扑翼飞行器的灵活性使其能够进入复杂地形和狭窄空间，进行精准的农药喷洒。可以在低空飞行，对环境进行近距离监测，适用于生态研究和环境数据采集。还可以在狭窄空间内灵活飞行，适用于地震、火灾等灾害现场的搜救工作。
“人类的很多发明创造都起源于自然。我们身边的物种无不是在自然界中进化了上千万年乃至亿万年的强者。所以我们开发机器人，也会非常重视仿生学的介入。”钟勇表示，开设仿生机器人相关课程，无论是对学生的兴趣塑造还是能力的培养都非常重要，“培养人才需要从兴趣入手，只有这样，他们才会深入学习，不断提升自己的水平。以新奇的仿生机器人系统作为媒介，学生往往会非常感兴趣，进一步激发他们学习机器人技术的热情。”
钟勇表示，学院对课程体系建设非常重视，强调理论教学和实践相结合，“我们基本上每个学年都会有实践课程，在这一过程汇总，学生的能力得到了很大的提升，我们超过70%的本科生毕业后都选择去国内外的顶尖高校继续深造。”
科学家解前沿
“人工肌肉”路线让机器人更像人
钟勇告诉记者，目前无论是工业机器人还是人形机器人，其技术路线主要依靠电机、传感器、精密减速器等先进零部件。在实验室内，吴贤铭智能工程学院的专家们正在尝试使用其他驱动方式，构建出行动更像生物的机器人。“我们正尝试利用‘人工肌肉’的驱动方式，采用一些智能材料，如‘形状记忆合金，介电弹性体等’来进行机器人的类肌肉驱动。”钟勇介绍。
据悉，人工肌肉是一种新型智能材料，能够通过材料内部结构的改变而伸缩、弯曲、束紧或膨胀。它可以通过外部刺激如电压、电流、温度等产生响应，实现类似人类肌肉的收缩和伸展。
人工肌肉可用于制造仿生机器人，使其能够更逼真地模仿人类动作，提高机器人的运动性能和灵活性。目前，美国麻省理工学院开发的基于尼龙纤维的人工肌肉，可用于机器人的直线运动和弯曲运动。德国萨尔大学研发的新型机器人夹持系统，利用记忆合金细丝束构建类似人工肌肉的夹持器，通过施加电脉冲使细丝收缩，从而产生运动。
“尽管人工肌肉能够更好地模仿人类动作的平滑柔顺性。但类肌肉驱动的这种驱动方式目前还处于实验室阶段，困扰它发展的问题主要是这类人工肌肉的可靠性、耐久性等还需要进一步提高。整体来看，当下的机器人还是依靠电机驱动相对比较安全稳定，但是，任何东西都有一个向前发展的过程，一旦人工肌肉技术成熟了，就有可能改变机器人产业的整体面貌。”钟勇说。
文/广州日报全媒体记者武威 图/广州日报全媒体记者王维宣 通讯员卢庆雷、樊济舟
