当我们把机器鱼放到北大未名湖里测试，没想到竟引来了一群真鱼围观 | 谢广明——科学讲坛
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希望学到它的优点，
现在反过来，
我们还可以帮助鱼类，
提高它们的生存能力。
谢广明 · 北京大学教授
大家好，我是来自北京大学的谢广明，今天给大家讲一讲这20年来我在北大做的事情。
大家都对机器人应该很熟悉了，但可能对机器鱼不太熟。其实，机器人的重点是机器，不是非得长得像人一样才叫机器人，所以机器鱼也是一类机器人。而且它的应用环境限制在水下，我们希望它能够模仿鱼类的各种功能，所以它是一种仿生类的水下机器人。我们的梦想，就是要研发出像鱼一样的机器人。
为什么要研究水下的机器人呢？这是从实际需求出发的。我给大家讲两个例子：20世纪60年代，美国在欧洲举行军事演习，结果出现了事故，轰炸机上的氢弹掉到了海里。海深700米，怎么办呢？氢弹不能不捞，因为它很危险。所以最后美国花了几千万美元造了一个水下机器人，这才把氢弹捞上来。
第二个例子跟咱们的日常生活有密切关系。大家都喜欢吃各种海鲜，但很多时候你会发现，海鲜的捕获并不容易。像扇贝、鲍鱼、海参等，有时候需要蛙人下海去捕捞，非常辛苦，而且可能每次只能下海20分钟。因为水太深，大气压非常大，在水下时间长了可能会得职业病，因此我们都希望将来能派机器人做这个事情。所以水下机器人非常重要。
再进一步来说，我们为什么要研究像鱼一样的机器人呢？其实我们现在已经有很多水下机器人了，它们也在很多方面得到了应用，但是它们的性能非常有限。后来我们发现，真正适合在水下工作或者生活的是各种各样像鱼一样的生物，它们经过亿万年的进化，最适合水下的恶劣环境，游动效率比现在螺旋桨推动要高很多。而且它们的机动性很好，非常灵活，在障碍物中能自由穿梭。另外，由于水下环境非常特殊、复杂，水下的生物必须有很强的适应能力。而它们具备各种各样的功能，能够帮助自身适应水下的环境。
除此之外，在军事方面它具备较高的隐蔽性，为什么呢？因为现在依靠螺旋桨推进的水下机器人很容易被对方发现，而如果以鱼的方式前进，就没有螺旋桨具备的规律，对方找不到它，所以说它的隐蔽性比较强。
对于现在的技术研究而言，下海比登天还难。这一点大家可能有点不好接受，咱们来具体分析一下。地球上最深的海是在马里亚纳海沟，那里的海深大概有1万米左右，但是能够到那儿去的人类非常少，最多有两位数，机器人就更少了。相比之下，我们平常坐的飞机基本都行驶在万米高空。咱们的航天员甚至能在空间站上面生活半年之久，但是大家听说过人类长时间在水下停留的新闻吗？没有，这是因为水下的环境跟在空气中非常不一样，人类很多方面的技术无法在水下使用，这造成了发展水下技术和水下机器人的困难，但这也让我们更有动力去研究像鱼一样的机器人。
这张图片是我们这十多年来发明的一些水下机器人的样机。它们有的像鱼，有的像海豚，有的还像一条龙，既能够在水里游，还能在陆地上爬行。下面的两张图片，是我们的机器鱼分别被国家科考队员带着去征服了北极和南极海域。我个人虽然还没有去过北极和南极，但是我们的机器人已经代表北京大学去了。
一条机器鱼是怎么做出来的？
接下来我会举几个例子，给大家展示机器鱼究竟是怎么一回事。
我们研究机器鱼，是希望它能够像它的仿生对象一样游动。上面就是机器鱼的仿生对象之一，它叫箱鲀，生活在珊瑚礁里面。珊瑚礁里的情况非常复杂，但是箱鲀的外形特点有很大的优势。第一，如果从正面看，它的脸是内凹的，不是流线性。科学家经过研究分析后，发现内凹的脸型有好处：当水下各种乱流向它冲来时，它可以保持稳定，不会翻倒。有一家汽车公司就专门按照这个外形设计了概念车，希望在陆地上开得更平稳。另外它有发达的鳍肢，特别是胸鳍和尾鳍的配合，可以让它在水中非常灵活地游动。因此，我们要造一个这样的机器鱼，那么具体怎么制造呢？
第一步，我们要把想要仿的这部分，也就是它的鳍肢和它的内部结构设计好。这涉及到机械设计，包括硬件和电路设计。设计好之后，我们通过3D打印它向内凹的外壳，把整个结构组成和硬件基础做好了。再进一步，我们还要利用控制和算法，让鱼的鳍肢和它的身体能够配合起来，这样才能使它像仿生对象一样在水下游动。
从这个视频可以看到，机器鱼的三维机动性很好，比如前进、后退这些动作都可以很轻易地实现。它们还能够通过鳍肢的配合，来进行前滚翻，甚至横滚，实现了像仿生对象一样的水下游动能力。
大家可能会问，机器鱼看着挺好玩，但它有什么用处呢？大家看这个小视频，基于我们这个机器箱鲀，我的另外一位学生设计了一款个人消费品。他甚至为了节约成本，还把胸鳍去掉了，在鱼头前面安装了一个高清摄像头。这样我们在水里游玩或者钓鱼的时候，就可以带它一块去，在水下给你拍照，记录你的水下生活，很有意思。
这就是机器鱼的一个初步应用，当然它还在不断地发展，以后会更加的完善。
我们希望机器鱼具备的基础能力就是能够像鱼一样游动。再进一步，能不能让机器鱼像鱼一样感知？这是什么意思呢？前面的应用展示了机器鱼戴一个摄像头，在水下可以拍照。但是很多时候，比如天气昏暗、水质浑浊，我们肯定就看不清了，那个时候可能很多事情做不了，怎么办？我们发现，自然界的鱼也会面临这个问题，它也会遇到天黑，也会碰到水质浑浊，那些鱼是怎么解决的呢？
生物学家发现，鱼有一类特殊的感知器官是陆地生物没有的，叫做侧线系统，大家看这条金鱼，在它的身体两侧和面部分布着一些感知器官。这些器官非常发达，它能够感知周围水流的细微变化，由此它可以产生趋流行为，还可以感知到障碍物，感知到伙伴，甚至形成群体。
什么叫趋流行为呢？这是鱼类的一个典型现象，鱼在水里往往喜欢逆流而待。顺着水流待着可能利于它找食，利于它调整自己的生活状态，但是逆着水流待才能够感知到水流的变化，产生以上行为。那么，能不能让机器鱼也有这样的能力呢？
我们在机器鱼身体两侧和面部安装了这种压强传感器，一边安了3个，一共9个。虽然是一个很简陋的仿生侧线系统，但是它也在一定程度上表现出了鱼类的感知能力。
我们的初步成果是，当前面有一条普通的机器鱼，后面有一条有侧线的机器鱼时，我们发现后面这条机器鱼能够通过对侧线数据的分析，感知到它的机器鱼伙伴，评估前面这条鱼离它有多远。我们希望将来能够通过这种感知的方式，让更多的机器鱼形成群体。
既然鱼要形成群体，它就需要互相交流。鱼是怎么交流的呢？我们发现有一类鱼叫弱电鱼，它可以调整自己的身体机能，在身体周围形成一个电场。这个电场是交变的，另外一条鱼通过感知这个电场的变化，就可以和它互动了。这非常有意思，我们的机器鱼可不可以呢？
我就对这个现象建立了相应的理论模型，然后设计了相应的电路，包括发出电场、接收电场，以及相应的通信协议的算法。之后，两条机器鱼也可以通过这种仿生的方式进行水下沟通了。
这个视频中，下面那条机器鱼是领导，上面一条鱼是它的跟随者。底下这条鱼告诉它，咱们要前进了，它们就开始前进；当前面有障碍物时，它就说赶紧上浮，要不然撞上了，它们就上浮；上浮之后再告诉它水平前进；最后它们停下来了。虽然游得很慢，但是它们能通过这种新型的水下通信方式进行交流。
为什么我们希望鱼能形成群体？因为水下的群体很重要，大家可能知道，马航370这架飞机掉到海里很长时间了，一直找不到，为什么呢？因为大海真的太大了，它的环境非常复杂，即使你派有限的机器人下去也找不到。所以，我们将来希望能够派成百上千的，成本比较低但是具有一定的性能的机器鱼群体去解决这个事情。
同时，这也受到了自然群体的启发，在自然界中，弱小的鱼很容易被别人当食物，那么它们怎么生活下去呢？虽然它的个体能力很弱，但是通过组成一个群体，这个群体的能力会很强，包括提升觅食效率和对抗天敌的能力等。只有这样，这个物种才不会灭绝。所以我们说，鱼形成一个群体是为了生存。
后来我们想，机器鱼能不能也产生这样的集群行为？我们也做了相应的研究，发现它们也能够形成我们期望的这种环形编队。当然，我们现有的机器鱼比较少，不像自然界的鱼那么多，而且水池也有限，但是它们一样可以实现这种行为。将来有一天，它们有可能戴上新的传感器，去完成水下搜救这种难题。
之前我们都是把真鱼作为老师来研究机器鱼。反过来想，研究这么长时间了，真鱼能不能对机器鱼产生认可？机器鱼的水平到底怎么样？我们发现了一个很有意思的现象。
很久以前，我们在北大的未名湖测试机器鱼的性能。大家都喜欢遛狗、遛猫，我们去遛鱼。我们本来想测试鱼游得怎么样，游得直不直，好不好看。结果发现机器鱼在前面游，湖里的很多真鱼就跟着它走了。当时我们就开玩笑说，是不是以后我们捕鱼的时候就方便了，我们想吃金枪鱼，就派一个机器金枪鱼下去，把所有的真鱼引到一个合适的位置，就可以只抓金枪鱼了，其他鱼不会受到牵连？
基于这一点，我们找到了一个可能非常有实际价值的应用。现在人类的活动非常频繁，对能源的需求量很大。由于水电是很好的能源，我们经常建大坝来发电。虽说人类受益了，但是可能很多鱼类会因此而灭亡。这是因为很多鱼需要从下游到上游去产卵，才能形成物种的迭代。但是建了大坝后，鱼游不上去了，可能就没法产卵，因此也就灭亡了。
为了解决这个问题，现在在建造大坝时，人们还会再修一个鱼道。这个鱼道往往比较窄，在大坝的一边。而河流很宽，鱼游过来之后找不到入口。于是大家就想，怎么能够让鱼知道，它们可以从鱼道那个口游上去呢？人们试过很多方式，通过声光电去刺激，结果发现都不理想。后来想到，能不能让机器鱼把真鱼引到鱼道那儿去？
现在我们正在和从事水利工程的人开展合作。在这个视频里，前面大一点的是机器鱼，后面小的就是真鱼。他们用我们的机器鱼在实验场地做了一个测试，看机器鱼是不是可以持久地引导真鱼到期望的目标点。测试后，他们觉得效果非常好。下一步我们可能会进一步合作，把它做得更实用。
我们原来是向鱼类学习，希望学到它的优点，现在反过来，我们还可以帮助鱼类，提高它们的生存能力。
机器鱼的未来会是什么样的场景？随着技术的进步，机器鱼的应用也会充分展开。今后可能会产生一种超级机器鱼，它会集成各种鱼类的特性，能力可能要比单一的鱼更强，做到青出于蓝胜于蓝。
大家看，现在视频里这条鱼游得怎么样？这是真鱼还是机器鱼？其实这是我们最新的成果，它也是一条机器鱼。大家可以想一想，机器鱼未来还有什么样的应用？
这就是我今天的报告，也是我个人的一个机器鱼梦想，也希望大家能够喜欢上机器鱼。
谢谢大家！
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