当厦大这条“鱼”，游出了芙蓉湖……
退潮时，厦门的沙坡尾海滩上常常可以看到黑乎乎的、爬来爬去、还能跳跃的鱼，那就是“弹涂鱼”。
弹涂鱼不仅可以在岸上爬，还能在水里游动，这种两栖的特点深深地吸引了厦门大学海洋与地球学院的张宇教授，并使他衍生了发明“两栖机器人”的想法。
经过长时间的设计研发，这一想象终于成真。不久前，张宇团队及其合作者研发的“仿生弹涂鱼两栖机器人（MIARF）”终于亮相。
△张宇手机拍摄的弹涂鱼
△弹涂鱼机器人在翔安校区芙蓉湖进行实地测试
这条孵化于厦大的机器鱼，已“游”出了芙蓉湖，“游”向了更大的舞台……
“专门研究鱼的团队”
实际上，这不是张宇团队第一次研究仿生机器鱼了。在此之前，团队就曾开展过许多关于仿生鱼的研究——仿生鲨鱼、仿生刀鱼、仿生金枪鱼、仿生水母……
△团队成员在实验水池测试机器鱼
为什么要研究仿生鱼？张宇这样回答——
海洋，占据着地球约71%的面积。然而，对于人类来说，约95%的海洋是未知的。因此，认识海洋、探测海洋成为了一个迫切的问题。仿生机器人作为认识和探测海洋的前沿载体技术，就起着重要的作用。相比起人，机器人更适合在复杂和缺氧的水下环境进行大量的探测。
传统的工业机器人一般通过螺旋桨驱动或空轮式驱动，机动性较差，在比较狭小空间内，传统工业机器人无法有效工作。而真实的生物，比如鱼类，可以在远小于身体大小的空间有效转向，这对于研究可以在复杂空间作业的仿生机器人有重要借鉴意义。其中，“两栖机器人”既能入水，又可上地，灵活适应环境，能够完成需要跨介质的环境监测、搜索救援等工作。但由于技术原因，大部分的两栖机器人难以实现有效的两极切换，且尺寸笨重、噪声较大、运动效率低下、隐蔽性不强。
基于此，张宇团队基于弹涂鱼的生物灵感，设计了一款具有较高运动效率和环境适应性的机器鱼。
△张宇为中小学生作机器鱼主题的科普讲座
仿生弹涂鱼，银奖！
这项颇具创新点的课题，最早要追溯到一次比赛。
在往年的国际水中机器人大赛（现国际先进机器人及仿真技术大赛）中，厦门大学海洋与地球学院就曾用仿生鲨鱼拿下过金奖。于是在2019年张宇带领学生团队参赛时候，他们犯了难——这一次做什么“鱼”好呢？
这时，张宇灵光一闪，给项目成员提了一个特别的建议：“我们这次做弹涂鱼！”
△弹涂鱼机器人仿生原型及结构设计
但是，仅仅觉得弹涂鱼有趣是不够的，“在有趣的背后，还要知道怎么去突破这些关键技术”，张宇说道。
那么，如何用机器模仿弹涂鱼的两栖行为呢？
实际上，弹涂鱼能在陆地上运动，它发达的胸鳍“功不可没”。在地面上活动时，胸鳍就好像两根拐杖，弹涂鱼先伸出它的“拐杖”支撑起身体，然后迅速地把身体拖向前去，如此反复，宛如一个使用双拐行走的人。
而在水下，弹涂鱼则使用尾鳍和身体的摆动来完成游动。
当时的项目成员采用多舵机驱动的方式，用多个舵机实现胸鳍的爬行，一个舵机实现尾部的摆动，简单地将两种功能组合在了一起。这个项目最后获得了该比赛的银奖，但在张宇眼中，它的潜力远不止于此。但由于缺乏合适的人才和时机，仿生弹涂鱼这个点子，就此沉寂了下去。
仿生弹涂鱼，“再生”！
事情在2021年迎来了转机。
“从科创到形成真正意义上的科研突破，需要有针对性的研究问题。”张宇说道，“比如是要研究材料、控制还是流体，如何从一个现象去提取规律，这都要找到合适的人。”
而对仿生机器人有浓厚兴趣、本科学习过程装备与控制工程专业的研究生郑炜，和从事流体力学研究的博士后林中路等就是张宇口中“合适的人”。他们加入后，一个由本科生、硕博士生、博士后组成的团队渐成规模，仿生弹涂鱼的项目又开始了“新生之路”。
△弹涂鱼机器人团队学生合影
如何把本科大创的仿生弹涂鱼这样的研究“雏形”，改造为更加成熟、更具应用价值的科研成果呢？
首先，要将仿生弹涂鱼的两栖功能有机地组合起来，充分发挥胸鳍和尾鳍的协调作用，而不仅仅是简单的拼凑。
通过对自然界的观察以及查阅大量的文献，郑炜他们发现，虽然弹涂鱼主要依靠胸鳍在陆地上运动，但它的尾鳍也占据着重要的协调作用。尾鳍对地面的摩擦，使得弹涂鱼可以很好地转向，于是项目组将胸鳍和尾鳍的运动有效地协调起来，从而大大减小了机器鱼的转向半径，提高了转向速度。
而在水下，胸鳍也同样有着稳定平衡和浮潜的作用。胸鳍就像飞机的机翼，当胸鳍向上折，弹涂鱼就可以往下沉，而向下折，弹涂鱼就能浮起来。基于此，他们也完善了仿生机器鱼在水下的运动。
此外，优化弹涂鱼模型的过程，还涉及胸鳍材料选取、流体力学设计等问题……
△弹涂鱼机器人设计图
经过团队同学们的不断修改和打磨，最终，仿生弹涂鱼具有高机动性和环境适应性，其陆地和水下运动的最小运输成本分别为4.56和2.02，优于许多现有的两栖和单模态机器人，这也是国内外首次实现两栖的仿生弹涂鱼机器人。
其实，团队的很多科研灵感，最初都来源于一个本科生俱乐部。2016年，张宇带领一群热爱海洋仿生的学生们，建立了水下探测机器人创新俱乐部。他们从自然界中提炼有意思的现象，挖掘出机制上的创新点，通过科学的方法将其运用到实际。几年来，俱乐部成员拿下过多次国际先进机器人及仿真技术大赛的奖项，一些同学毕业后，又进入了张宇的团队读研，继续致力于水下机器人的研究……
“仿生弹涂鱼这类的两栖机器人研究在国内乃至世界范围内都不算成熟，我们也是摸着石头过河，在科研中，只有广泛地去研究，才能有不一样的结果。”郑炜说。
未来，张宇团队希望通过进一步研究，使仿生弹涂鱼在环境探测、生态保护等方面实现大规模、低功耗、网络化的应用。
图片由受访者提供
文：陈彦希、王佳佳
责编：张火火、曾浣浣
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