仿生黑科技！以假乱真的水母

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作为典型的海洋浮游生物，水母通过腔体的收缩与扩张，实现了高效、灵活的喷射式推进，为水下仿生机器人的设计和开发提供了重要参考。最近一项研究研制开发了一种新颖的仿生机器水母系统，实现了其三维空间的仿水母游动及姿态自主调整。

图1  仿生机器水母示意图

研究相关的论文题目为：“Design and attitude control of a novel robotic jellyfish capable of 3D motion”，发表在近期出版的2019年第9期SCIENCE CHINA Information Sciences上，由中国科学院自动化研究所喻俊志研究员担任通讯作者撰写。

在该项研究中，喻俊志研究员课题组受水母喷射式推进方式启发，研制了一款机动灵活的仿生机器水母系统，并构建了基于强化学习的运动控制器，解决了仿生机器水母的三维姿态控制问题。

水母的喷射推进方式较早地吸引了国内外研究学者的关注。他们系统性地研究了水母的形态结构和推进机理，并采用形状记忆合金，离子聚合物金属复合材料和介电弹性体致动器等智能材料研制开发了多种仿生机器水母。但是，此类仿生机器水母通常速度较慢，灵活性较差，绝大多数都不能灵活自主地调整三维空间的游动姿态，为后续实际应用带来困难与挑战。

针对上述问题，该项研究从仿生机器水母的机构设计与运动控制两方面进行了重点攻关：

• 在机构设计方面，为了模仿水母腔体收缩和扩张运动，该项研究采用多连杆机构设计了仿生机器水母。所研制的仿生机器水母腔体高138 mm，重8.2 kg。具体地，四个多连杆机构呈中心对称地分布在仿生机器水母中心线四周，并附粘一圈橡胶外皮以形成密闭的腔体。通过多连杆机构的运动带动外皮收缩和扩张，实现仿水母式喷射推进。为增加三维机动能力，该项研究在仿生机器水母机构设计中增加了重心调节机构。利用该机构调整配重块的位置，能够实时调整仿生机器水母的三维姿态。

• 在运动控制方面，考虑到仿生机器水母建模的复杂性、强耦合和非线性等问题，采用传统控制方法存在一定困难。因此，该项研究提出了基于强化学习的仿生机器水母姿态控制方法，通过构建基于Q学习的仿生机器水母姿态控制器，使仿生机器水母具有自主学习并完成姿态控制的能力。通过一系列仿真及水池实验证明了所提方法的有效性。

图2  仿生机器水母三维游动示意图

该项研究提出了一种机动型仿生机器水母的机构设计与自主学习姿态控制方法，不仅实现了仿生机器水母三维空间的灵活运动，提高了仿生机器水母的机动能力，而且为高性能仿生水下航行器的研制和应用提供了重要理论基础和关键技术支撑。

Design and attitude control of a novel robotic jellyfish capable of 3D motion

YU Junzhi, LI Xiangbin, PANG Lei & WU Zhengxing.

Sci China Inf Sci, 2019,62(9): 194201

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