我们能不能把仿生机器鱼也赋予所谓的灵魂呢？| 谢广明 一席第531位讲者
谢广明，北京大学工学院教授。
那什么群体最好？他们给了一个结论：如果这个群体中每个个体都自私，这个群体可能很快就演化没了。反过来，每个人都很无私，结果也不好。最好的，更容易演化下去、生存下去的是什么群体呢？是一个既有一些自私也有一些合作的群体。
那么真正的生物、真正的鱼群是这样一种特点，机器鱼可不可以也达到这种层面的仿生？
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智能仿生机器鱼
谢广明
大家好，我叫谢广明，来自北京大学。今天我讲的题目叫《智能仿生机器鱼》。
大家会问机器鱼是什么鬼？这也可以理解，因为大家经常接触的都是机器人。咱们看到的很多大片，《我的机器人女友》《变形金刚》之类的，往往觉得机器人应该是人形的。这个也不怪大家。因为机器人是个外来词，当时从外国来的时候没翻译好，翻译成机器人了，大家都把重点落在人上。其实它应该是个机器。
机器人的种类很多，比如《战狼2》里面的无人机，它就属于空中机器人。百度发布无人驾驶汽车，它是陆地机器人。还有水这种环境，所以我们就要发展水下机器人。我们这个机器鱼就是像鱼一样的面向水下应用的一种机器。
大家会问你为什么要研究像鱼一样的机器人呢？其实我们想一想，咱们地球是个水球，70%被水覆盖。这个水世界的主宰是谁呢？其实是鱼类，是鱼最适应水环境。生物学家研究指出，鱼至少在4亿年前就出现了。经过不断的淘汰，到现在我们人类命名的鱼也超过了3万多种，而且还不断有新的物种被发现。
这些鱼形态各异，它们有的适合在浅滩；有的可以深到几万米；有的机动灵活，游起来非常潇洒；还有的可以长途奔袭游上万公里。所以正是鱼有这些优点，引起了我们科技工作者的注意。我们希望去模仿，以它们为师，去研究、制造将来像鱼这样的机器。
相比鱼，机器鱼的历史就短了很多。从第一条机器鱼诞生到现在，也就二三十年的光景。虽然时间短，但是我们这个技术发展得非常快。现在国内外同行发布的文章、专利等一些东西，加起来也不下几十种了。
很多特点鲜明的鱼或者咱们能想到的鱼，基本都被作为仿造对象。比如这是世界上第一条仿生机器鱼，它1994年诞生在美国麻省理工学院。这个鱼大概有一米二长，游速最快可以达到每秒两米。
中国的机器鱼诞生也很快，大约在2000年前后，是北航和中科院自动化所联合研发的微小型仿生机器鱼。这个鱼要比美国那条鱼要小一些，身长大概有半米左右，游速也能够达到每秒半米左右。
有一个很有意思的现象大家体会一下，美国人研究机器鱼，它以金枪鱼为仿生对象。咱们中国呢，是中华鲤鱼。这也反映出各国人民不同的文化背景对鱼的不同的偏好。
研究这种仿生机器鱼有什么好处呢？其实在研究仿生的机器鱼之前，人们已经研发了很多水下的机器人，或者叫水下潜航器，水下航行器。名字有都很多，但它基本上都是以一种螺旋桨的方式来推进。人们在用这些机器人去做一些实际事情的时候，就感觉不尽人意。
什么问题呢？我们归结为三点。第一，螺旋桨推进的效率太低了，它可能顶多就是40%到60%这个程度，而鱼基本上都要超过80%。利用效率高的话能量就节省，可以干更多事情。
第二，螺旋桨推进转起弯来很费劲。它是一个很大的转弯半径，很不灵活，机动性很差。而真正的鱼类几乎可以原地转弯，上下乱窜，非常灵活。
第三，在军事背景上，螺旋桨旋转很容易被水下声纳扫到、探测到，那你就被敌人发现了。这也是为什么很多潜水艇到了工作地方之后，它要把所有的东西都关掉，保持静默。鱼没有螺旋桨就没有这个问题。
所以我们这些科技工作者就希望能够把生物界的优点学过来，让我们的水下机器人也具备这些优势。其实不一定是把鱼作为仿生对象，还有很多其他的都可以这么做。
大家觉得这是个什么机器？
我们叫机器海豚。它在水里不仅能够像海豚一样游，而且还能跃出水面。海豚和鱼还不太一样。咱们鱼基本是左右摆动，而海豚是上下拍动的，我们叫背腹式运动。这个海豚做得非常棒，能够跃出水面是相当不容易的。
下面这个可能容易看出一点，这是机器水母。它以水母为仿生对象，模拟水母在水中运动的过程。
由于有前面的铺垫，大家看到这个肯定知道这是个机器鱼。没错，这是日本某大学的一个研究成果。虽然大家看着很像，这鱼做得很棒了，但是从我们研究的角度来讲，这不是一个很好的研究成果。
为什么呢？因为我们研究鱼，不是说要把它的外表做得很像，是要追求它的功能。这个鱼虽然外表很像，但它实际的内部结构设计得很不合理，一游起来效果很差，所以这种仿生就失去了意义。
就像咱们参观蜡像馆，很多名人的蜡像很逼真，但他们没有其他用途，只能用来满足你和你的偶像合个影，其他什么干不了。我们要做机器人，是真的希望把它能够在水中运动和其他一些功能学过来，所以这种研究我们不认为是好的研究。
说了这么多，我们现在把北京大学做的机器鱼请上来。鱼在哪里？在这里，可能有点刺眼没看到。这个就是我们以中华锦鲤为仿生对象做的机器鱼。
其实不是一开始就能做成这个样子。我们一开始也是刻意先追求它运动起来像鱼，而不是说外观像鱼。通过一代一代地去改进提高，这是最新的一代。
我们这个鱼，真的是挑了一条外观非常漂亮的锦鲤，把它低温速冻给冻硬了，赶紧拿三维扫描把它外观的数据测下来，构成这个数据模型。之后再用3D打印的技术，把它们整个打印出来，这样就做了一个仿生的壳体。
但是我们首先要保证它游起来像鱼，而不能只是追求外壳像鱼。那么咱们就看一看这个鱼怎么游的吧。
一开始我们在实验室的小水池，顶多两三米大，根本游不开，一些性能测不了。刚好我们比较幸运，北大有个未名湖，我们就把这个鱼扔到未名湖里游一游。现在大家一般都会养个宠物，实验室没这条件。养了宠物要去遛的，没关系，我们去遛鱼。所以去未名湖遛鱼是我们实验室的一个保留节目。
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有一首歌叫作《未名湖是个海洋》，可能是一些北大人创作的一个校园歌曲，我们其实也希望我们的鱼能够游到真正的海洋。很快，我们的愿望就实现了。
2012年，我们这个鱼游到了北极。又过了两年，我们的鱼成功实现了南极的首航。当然了，有点小遗憾。这鱼虽然是游了，不是我亲自带着去的。因为这是国家科考的行动，是委托科考队员把鱼带过去。所以说是我的机器鱼代我去征服了世界的两极。
下面我们就稍微地讲一点科学知识。就是说这个鱼看上去挺好的，它怎么游起来的呢？ 我们稍微讲讲原理和实现的方式。既然我们是以鱼为导师，我们就先看鱼是怎么游的。
这是典型的一条鲤鱼。大家可以看，上面有多的鳍肢，特别是尾鳍。咱们不搞复杂的，就以它的直游为例子来讲。这个鲤鱼要去直游的话，它是通过摆动身体后面这部分以及驱动尾鳍去实现的。它摆动之后就跟水相互作用，可以产生向前的推力，鱼就游起来了，就这么简单。
说起来简单，那怎么拿物理的东西、拿机械的东西去实现呢？
首先要从硬件上去构造这样的东西，要模拟鱼的摆动，所以第一步我们要做这个硬件去实现。我们用三个电机加一些机械的连接件，让它能够链式地摆动。左边这个图就是我们的结构示意图。右边是我们真的拿机械框架和电机把这个鱼给做出来了。
内部做好了之后，再配上控制电路，配上电池，然后再设计好外壳，做好防水，把它封在一起，鱼就做完了。但是鱼做完了不等于就能游，你还有很重要的一部分要做。做什么呢？因为有很多个电机，电机到底怎么摆它才能游起来呢？
这个还要做很精细的控制算法的设计，我们这方面也是做了一些相关的算法的研究。像我们展示的这个视频，就是在模拟的过程中，我们用数字模拟的方式去复现一下，看能不能设计一个算法实现这种摆动甚至转弯。
当仿真可以了，我们再把这个算法加到真的机器鱼上，鱼就游起来了。但是细心的观众肯定会想到，这样一个鱼这么摆动，肯定产生的力也只能在水平面上。换句话说，这鱼只能在水平面游来游去，但实际的鱼不是，实际的鱼可以潜到海底，潜到水底。那怎么办呢？
其实我们也是这样想的，我们希望找到一款新的仿生对象，做一款能够上升下潜的鱼，因为这样才能更多地去做实际应用。这就到了我们的第二个研究，这个研究叫仿箱鲀机器鱼。
中华锦鲤大家很熟了，这个箱鲀又是什么鬼呢？我们看看视频，先感性地认识一下箱鲀。箱鲀实际上分布非常广泛，太平洋、印度洋、大西洋都有，它是在珊瑚礁这种很复杂的环境里生活。
珊瑚礁的特点是什么？枝枝叉叉很多，水流有时候很乱很急。但这鱼很潇洒，它通过胸鳍与尾鳍的配合，可以在这种复杂的环境下自由地游来游去，不会碰到自己、伤到自己，机动性非常好。
其次，咱们观察这个鱼的特点。这个鱼真的是鱼中的极品，它骨骼清奇。不像锦鲤是流线型的，箱鲀的骨骼是内凹的，不是鼓着的。这很奇怪，但是这种奇怪的外形就被人注意到了。
奔驰公司就参考它这个外形设计了一款概念车，期望这个车能够更稳定地行进。箱鲀在英文里就叫boxfish，盒子鱼，因为它看着就是一个盒子。它的骨头是硬的，把这个身体撑在那块儿形成一个盒子。那像盒子的内凹的这种独一无二的构型有什么好处呢？
这是2015年从我们学术领域最顶级的期刊Nature上拷贝下来的一张图片。专门的科学家研究结果指出，通过流体建模进行数值仿真、进行流体实验，箱鲀这样一种奇特的外观确实有助于它在复杂的水环境下更稳定。它有自稳的性质，等于水流来了之后能稳定住自己，那这个鱼真是太棒了。
第三，它是个盒子。我们将来可以在里面装很多人为的一些传感器，或者执行操作的东西，那就可以更便于应用。所以我们认为这是一个最佳的仿生对象，我们应该仿它。这就是我们仿的结果。直游什么的我们就不看了，我们看一看它三维中的后退、前滚翻、后滚翻、原地旋转、横滚。虽然还没有真鱼那么灵活，但起码一些基本的行为，三维空间的那种灵活性被实现了。
大家想不想看实物？咱们有请机器箱鲀上场。
这个箱鲀有点重，毕竟它的体量稍微大一点。我们第一步是保证它是内凹的，但这只是第一步。我们发现要想让这个机器箱鲀也在复杂的三维空间去灵活运动，光能自己动不行，因为箱鲀自己也是这个问题。
它要知道前面有障碍物，它要躲开。怎么躲开？它要能够感知。如果有水流湍急，它要调整自己的姿态。怎么调整？它要感知到这个流体的变化。那怎么办呢？其实我们不光学它的运动方式，还要学它怎么感知到环境的方式，特别是怎么感知水流，因为对机器人来讲，感知是很重要的一个研究方向。
比如咱们传统的加个摄像头，这是做视觉的研究。还可以加声纳，是听觉的研究。但是鱼类有一个特殊的器官，叫侧线系统。就在侧面以及它的面部分布着一些组织器官，这些组织器官专门对水流产生感觉。
有这个感觉之后，它作用很大，不光是能感觉水流的变化，甚至能够感觉到障碍物，感觉到敌人，感觉到食物。这是很重要的一个器官。因为大家想，鱼生活在自然界，天黑了世界就看不见了。也可能会有很多干扰，那听觉也用不了。但是它还有侧线，这是个独门秘笈。
我们就想，如果机器鱼也有这个技术那多好，所以我们也在机器鱼的侧面和前面加载了一些压传阵列，去复现这个功能。现在我们复现的结果也是一样的，能够通过压传道把鱼跟水流相对的方向、鱼相对的流速测出来。
如果我们在前面再摆一条机器鱼，它的摆动会产生一些涡，后面的鱼就能感受到它和前面这条鱼的相对的前后距离、左右距离，这样的话我们也能够做到这种仿真感知的能力。
还有一个研究是通信问题。因为要让机器人做事情需要跟它交流，有时候是两个机器人一块做事情，它们之间也要交流。陆地上交流很好办，现在无线网络很发达，机器人也可以通过这种无线网络在陆地上很好地交流。但是到水下就不行了。
水下通信一直是限制水下机器应用的一个很大的瓶颈，所以人们也开始尝试一些传统的比如光通信、声纳通信，但是效果都不是很理想。那既然我们是师法自然，就再看看自然界的鱼怎么通信，它怎么跟它的伙伴交流呢？
我们发现有一种鱼，它能够自己改变身体的状态，形成一个电场。这个电场虽然很微弱，但是通过这个电场，它就可以跟伙伴进行交流。我们能不能也让机器鱼有这个功能呢？所以我们也给机器鱼设计了产生电场的电路。
我们设计了发射电极、接收电极，把它们加在鱼的身上，就实现了两条鱼在水中的通信，这是我们刚刚发表的一个结果。
这个图片就展示了我们这几条机器鱼，也是通过不断地改进才到了今天这个状况。一开始我们对外形不够重视，但是发现其实要让它游得好的话，外形很关键。
右下角这个图还没有实现。我们想将来做一个大点的，一米到两米长的，这样我们可以加入更多的负载，去做更多的实际应用。那机器鱼到底都有什么可应用的呢？其实这个回答是很显然的。
现在人类过得很舒服，陆地上资源基本上耗光了，所以大家开始转向水下，比如最近很热的可燃冰。那个首席，也是我们北大的老师，他也找到我，说我们去探测可燃冰的时候，就需要这种小型的水下机器人去帮做一些操作，现有的那种大型水下机器人太笨拙了，不好用。
我们下面再举几个典型的例子。第一个，水下资源勘探或者水下科学考察。最近有个新闻热点，两个资深潜水员去一个水库进行水下考古，结果不幸遇难了。当时失踪之后就一直找不到，所以他们也联系到我们，让我们这个机器鱼也下去帮着找。
这就是一个问题。你派人下去，水火无情，可能就有危险。以后我们不用人下去，派机器鱼下去就行了，我们带着相应的设备，把相应的信号采上来就可以了。
再比如，大家都喜欢吃各种各样的海鲜，吃是很好吃，但得之不易。像海参，它就是潜水员穿着很简陋的潜水服，拿着个网兜，潜到几十米的又冷又黑的水下迅速捡一些上来。不光是当时难受，这些人之后会得职业病，终身受罪。所以国家自然基金委刚刚举办完成了首届水下抓取比赛项目，也是希望我们派机器人下去，来代替这些人，解放这些人。
还有个应用不得不提，就是军事方面的。这个图片是说美国人在测试这种军事应用的水下机器鱼。因为鱼的隐蔽性高，以后设计一个机器侦查鱼，悄悄游到岸边，我们还在欣赏它呢，不知道它是来窃取我们情报的。所以这个应用领域非常广泛。
如果将来这个技术成熟了，以后整个大洋里，除了有真的各种各样的鱼、海洋生物，也会有我们的机器鱼、机器海豚、机器水母等仿生机器人。
到此为止，我就把机器鱼的相关研究介绍完毕。这个鱼也放下去吧，太重了，拿不动了 。下面我再展开一个新的话题，这个话题跟鱼还是很紧密。咱们先看图片，这个图片是一个国际水下摄影大赛的获奖照片。它实际上就是拍到了几百条甚至几千条鱼，它们自发地形成一个圆圈在那儿缓缓地游动。
再看这个，可能是上万条鱼紧密地游到一起，形成一个很紧密的团簇。这些鱼怎么了，发疯了还是闲得没事了？不是，它的目的很明确，它们就是要生存。它们做这些行为不是为了好玩，是为了延续这个种群。
为什么？因为每条鱼很小，跟天敌对抗肯定对抗不过人家。可是如果紧密团在一起，可能就震慑住天敌了。再比如，集体去寻找食物，肯定比单个找到食物的概率高。
所有这一切都说明不光是单个鱼可以做我们的老师，整个鱼群也可以给我们启发，也可以做我们的老师。这就促使我由原来的“个体仿生”进化到“群体仿生”。也就是说我们从单个鱼怎么游得好，感知得好，通信得好，还可以让一群鱼游得好。既然这是一位老师，我们看看这老师有什么优秀的品质。
鱼群的特点来总结一下：第一，这种形成鱼群的鱼，首先它的个体肯定很弱小，智商很低，能力很有限。第二，这一群鱼在一起游，其实没有一个统一的管理者或者领导，它们就是自发地就这么游了。我们可以想象一下，假设你有超能力，这群鱼在游着，你突然让其中一条鱼瞬时消失，你会发现这个鱼群根本不知道这条鱼没了，还是那么逍遥地游来游去。
第三个特点，这些鱼群小的几十条，大的可能几千条上万条。但是每条鱼它不用很累，不用知道其他鱼的状况。因为假如你是一条鱼，咱们一群鱼团簇着，像现在一样。如果把其他的信息都告诉给你，你其实也处理不了，你也晕了。实际的鱼也是这样，它不需要知道整个全局怎么样，它只关心我周围这几个邻居怎么在游，做一个简单的交互就可以了。
这么简单的特点，能力这么低，但结果是什么呢？它的整体能力非常强大。通过这种整体的方式，这个种群就延续下来了。
其实这就是现在很热的人工智能里的一个重要分支，叫群体智能。所谓群体智能就是说个体智能很低，但是它们通过相互协作，从整体层面上能迸发出很强的能力。这种智能也值得我们学习，值得我们研究。
下面介绍一个简单的群体如何协同如何互动的模型。其实这个模型是一个计算机图形学家提出来的，他提的目的是为了画电脑动画省事。因为有时候电脑动画要表现一群鸟或者一群鱼在游动，如果大家都一样，看着就会很假，不协调也不自然。
如果每个都画，不仅累死，也画不下来。所以他编了一个程序。他让一些个体在空间中移动，在平面中移动，每个三角代表一个个体。规则很简单：第一，我就看我周围的邻居，如果离它们太近了，那我就远离一点；第二，如果太远了，就近一点。
第三条也很简单，我就看它们大概什么方向，把我的方向取它们的平均方向。他一做之后，发现效果很好，咱们根本分辨不出来是真的鸟在飞还是动画。
生物学家知道这个事后，把这个模型稍微进行了改进，改成一个三维空间的模型。然后调整群体之间不同参数的取值，通过计算机仿真，确实就仿出了我们在自然界中观察到的一些鱼群游动的典型模态。像圆环、直行、杂乱的游动等都展现出来了。非常有意思。
而我们呢，我们有鱼，我们直接拿鱼来做实验不就得了吗？所以这是我们的结果。
因为现在做这种三条鱼的实验难度还是非常大的，我们还在进一步地把鱼数增加。但是我们能够拿这个机器鱼初步地去验证这种结果，这个鱼确实可以像自然界的鱼一样形成机器鱼效应。
实质上，以前的研究如果深想一下是有点问题的。因为它只是说我去观察这个现象，根据这个现象我提炼了这三个规则，或者提炼了其他稍微繁复一点的规则。但是这个鱼它就是一个生命，它是一个活生生的个体，它是一个生物。
作为生物来讲，你怎么知道它就是这么想的，它就是按照这个规则去做的呢？特别是根据达尔文进化论，个体都是自私的，在资源有限的条件下，每个人都为自己着想。物竞天择，适者生存。你如果有食物，你不吃，别人就吃了，你让给别人了，那你就存活不下去了。
但是达尔文的进化论它解释不了现在的研究，解释不了一个现象：虽然都是自私的，但是实际上生物界有很多利他的合作的现象出现。
这跟进化论稍微有点矛盾，所以后来吸引了很多生物学家、科学家研究这个事情到底是怎么回事？最后他们发现，很多生物都是群体地生活。
那什么群体最好？他们给了一个结论：如果这个群体中每个个体都自私，这个群体可能很快就演化没了。反过来，如果这个群体每个人都很无私，结果发现也不好。最好的，更容易演化下去、生存下去的是什么群体呢？是一个既有一些自私也有一些合作的群体。而且时段尺度上在变化，这个时段可能我自私一点，你利他一点，下一个时段可能我又利他一点，你又自私一点。
那么真正的生物、真正的鱼群是这样一种特点，机器鱼可不可以也达到这种层面的仿生？
我们不是傻乎乎地说鱼，给你定个规则，你去游吧，能不能更深刻地把机器鱼也赋予所谓的灵魂？我们正在研究这个课题。首先做的一个事情就是给这个机器鱼编队。
所谓机器鱼编队，就是我让一些鱼事先设定一个构型，比如一条直线 或者一个圆形，让它们一开始位置随机，然后大家相互配合，形成这个圆形。在没做这个研究之前，我们从理论的角度讲已经设计了控制律，可以从数学上严格证明只要这些机器鱼执行我的控制律，肯定能够实现这个编队的。
现在这个鱼不像原来一样了，我把这个鱼赋予自私的属性。它执行这个编队任务的时候，不是按照我事先规定的程序做，而是有一点私心。本来这次编队它要走5米，但它只走3米，可以偷偷懒。
结果仿真效果出乎我的意料，大部分的情况下它们仍然能够形成一个编队。但同时我们计算所有鱼在一起的总路程，对应于能量节省了很多，它真的有优势。所以这个我们正在进行研究。
前面属于基础研究，我们还把这些研究用在了一些实际的应用任务中，比如协作推箱子，协作去侦察。然后我们就搞了一个水球比赛，通过竞赛的形式促进技术的进步，同时也吸引一些青少年参与我们的项目。因为这个项目非常有趣，我希望更多的人去参与这个研究。
最后又回到这个图片。大家刚才一开始看我们在未名湖遛鱼，大家没有留心一个现象，不光是鱼的性能测试了，我们还发现很多真鱼跟着我们的机器鱼走。这很有意思，将来我不仅可以控制机器鱼，我还可以控制真鱼。
控制真鱼有什么用？首先大家都知道这个魔术，给鱼编队了。这肯定是魔术，据说有人是在鱼下面贴磁铁。这个方式鱼肯定很难受，那我们如果用机器鱼来做这个魔术就很简单了。前面机器鱼带着，后面鱼游着，这个编队就形成了。
当然这种只是一个小儿科，我们更希望达到这样一个境界：从“师法自然”过渡到“道法自然”。现在我们的研究以自然为师，学了一些东西，从个体仿生到群体仿生，目的是为了去征服自然、利用自然，开发自然的资源为我们所用。那我们在用这个资源的时候能不能境界更高一点？既然它是我们的老师，我们能不能更尊重它一点？
所谓道法自然是什么意思呢？本身自然除了存在这些客观的物质之外，它还有背后演化的客观规律。我们去利用自然的时候，希望能够更接近自然的规律去影响它、利用它。
比如现在咱们抓鱼，一网下去，管它什么鱼呢，捞完再说。以后我们可以不再这么捕了，我派机器金枪鱼下去，专门把金枪鱼引到一个地方，我们就抓这些鱼，那多好。
咱们一席的主题是人文、科技和白日梦，我个人也有一个小梦想。很多人可能看过海洋馆的动物表演，海豚跳起来，甚至顶着一个人游。我们是开心了，但是你想没想过，这些动物开不开心？
有些研究者发现，这些动物由于经常表演得了忧郁症，甚至自杀了。我们凭什么把我们的快乐建在人家的痛苦之上？所以我的小梦想就是，将来我们去研发很多这种机器动物代替它们，把它们放归自然。现在不知道能不能实现，但我会尽力。
谢谢。
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