江南可采蓮，蓮葉何田田。魚戲蓮葉東，魚戲蓮葉西……
早正在約兩千年前，魚兒正在蓮間游玩的生動景色就被刻畫正在詩歌中，撒布至今。
當下，正在北京大學未名湖里，也是有一群倏爾遠逝、來往翕忽的魚兒，領頭的那只體型較著大過搭檔，靈敏地擺動著身體。眼尖的門生越看越覺過失勁兒，獵奇地將它從水里撈出，掂正在手里，才發覺它并不是新鮮之魚，反而是由冰冷的機械零件組裝的仿真魚。
二十余年來，北京大學工學院傳授謝廣明團隊聚焦仿生機械人，不息探索機械人水下功課范疇，科研成果頗豐。而被他經心“哺育”的機械魚，不只能夠像真魚一樣，正在水里游動、感知環境、互相交換，還被高新科技給予了很多“特異功能”——
安上攝像頭便是一臺水下探測儀，能夠清楚地為水下環境攝影，并實現數據傳輸；裝上抓手就可以取代潛水員，下潛到人類沒法抵達的深度，即便正在卑劣混濁的水下環境中，還能夠經過觸覺感知本領抓取物體；還能正在魚群中“偷天換日”，引誘魚群游向合適的水域……
謝廣明
未名湖上演“遛魚”大戲
明麗的秋天午后，陽光灑正在北京大學未名湖上，一陣金風抽豐拂過，水面出現粼粼波光。岸邊堆積的人群中，謝廣明手拿一臺小型遙控器，目光緊盯湖面，手里一直撥弄著。正在他的操控下，一條玄色的機械魚自若地正在水中上浮下潛、進步撤退退卻，還淘氣地將漂浮的落葉頂出水面，一番花腔行動，引來浩瀚師生圍觀。
“快看，那幾條魚還真游過來了！”機械魚的“扮演”還吸引了正在湖中生活的錦鯉，游來一探畢竟。幾條魚獵奇地圍著這只“泥足巨人”轉了一圈又一圈，還不時謹小慎微地“啄”上一口。不一會兒，一支壯觀的魚群大隊形成了，正在機械魚的率領下，徐徐游向遠處。
如許風趣的“遛魚”場景，經常在北京大學未名湖畔呈現。
2012年，謝廣明進入北大力學系攻讀博士后，并為本人挑選了一個正在那時不太熱點的研討標的目的——機器人。“選這個標的目的便是想做點看得見、摸得著的工具。”謝廣明說，本人本科和博士分離讀的是數學和自動控制專業，那時就以為專業內容離事實使用有點遠，“總感到弄底子理論研討不敷‘解氣’，就想做點老百姓平常能用得上的研討。”
然而，機械人分類多樣，有以無人機為代表的空中機械人，還是有相似無人駕駛汽車的陸地機械人，就連能與孩子對話的布娃娃還被回為機械人類。正在如斯復雜的研討標的目的中，如何就鎖定了水里游的仿生機械魚呢？面臨記者的發問，謝廣明頓了頓，認真地說：“由于水下的天下遠比我們設想得要出色。”
地球實際是個水球，超越70%的外貌被水籠罩，而水下也是有很多人們賴以生存的“寶藏”。謝廣明舉例：“人人皆愛好吃海鮮，但多數人不知道的是，扇貝、鮑魚、海參等海鮮的捕捉實際實際不輕易。”他回想，往海邊調研時曾見過蛙人下海捕撈的歷程，很辛勞。由于水深氣壓大，他們每一次只會下潛不到30分鐘，工夫長了，還會落下潛水病取減壓病等職業病。
“那時我就想，為何沒有一種水下機器人，可以實現精準捕撈，取代人類去做這類體力活呢？”謝廣明的初心，就像當初挑選研討機器人一樣，簡樸且務實。
人類想要飛上天空，由鳥類起頭仿照，終極制出了飛機。當科學家想要探索水下天下，還要向水底的“原住民”討教，謝廣明將視野鎖定在了魚身上。
作為一位理科生，謝廣明眼中的魚擁有怪異的研討特征：游動服從比螺旋槳推進高很多，并且有很好的機動性，可以矯捷地正在障礙物中穿越自若。顛末億萬年的進化，它們很是順應水下的卑劣環境。“地球上最深的中央是馬里亞納海溝，到過那邊的人很少，卻依舊有魚類生計，我們何不向它們進修，借助仿生機械魚往探尋更多未知的天下呢？”
2012年仿箱鲀機械魚首航北極海疆。材料圖
3D打印出水陸“偵察兵”
仿生機器人的研發離不開三個階段：探求模擬工具、設計機關、實驗測試改善。“簡樸來說，這三點便是我全數的事情內容。”謝廣明說。不痛不癢的背后，蘊含了二十余年的研究和起勁。
正在北京大學工學院的一間實驗室中，安排著一個長方形的魚缸，這里曾是各類魚類的“訓練場”——“鯉魚、錦鯉、箱鲀皆養過，買回來讓它們正在魚缸里游一游，利便觀察學習。”謝廣明邊比畫邊表明，不一樣魚類的游動姿態有差別，就拿尾鰭來講，有的左右搖擺，有的高低翻動。姿態不一樣，對標的目的的把控也是有危害。
團隊成員需求仔細觀察魚的游動姿勢，經過力學闡發、數字建模等，探求最適合機械魚的活動體式格局。“正在這間實驗室里常常能聽到門生嘆息：之前途經未名湖怎樣就沒發覺，一條魚竟有這么多種游動姿勢！”謝廣明笑著說。
談起魚，謝廣明就像打開了話匣子，千語萬言地向記者講起團隊取魚之間的故事。令他印象最深刻的是十幾年前，團隊成員已經跑遍了菜市場，只求買一條表面都雅的錦鯉。“都雅可不只是為了悠然自得，還對科研有輔助。”
本來，當時3D打印還沒有遍及，制造機械魚的外殼用的仍是傳統的要領，須要找專業的工匠師傅制造模子。“買回一條外形比力‘標記’的魚，放冰箱里凍得邦邦硬，再找師傅參照凍魚分幾部門削出模子，拼在一起拿給工場舉行機械加工。一通忙活，少說還得半個月。”謝廣明無奈地擺了擺手，接著又笑著說，“而今可好了，激光掃描加3D打印機就可以解決問題！”
講到這兒，謝廣明起家走向辦公桌，拿起一件紅色的小物件向記者展現。“您看，這是我們團隊使用3D打印最新設計的柔性仿生兩棲機器人，能在平滑斜坡、石子路、泥濘地、水面等各類環境中活動。”他手中的小機器人，中央部門呈卵形，四周分別有四條鋸齒狀的腿，能夠自在扭動，看起來像一只沒有腦殼的小烏龜。
“仿的便是烏龜。”謝廣明說，團隊根據觀察發覺，烏龜四只足瓜代抬起，以匍匐活動的姿勢實現直線活動；以一條腿為軸不動，其他三條腿挪動而實現轉彎。受此啟示，團隊為機器人設計了一條仿生腿：由兩個垂直的氣囊構成，氣囊之間的毗鄰充任仿生樞紐，內部根據機電驅動實現三維活動，對活動按次舉行編程，還能夠完成各色各樣的活動步態。
謝廣明邊說邊把機器人放進魚缸里，它先是正在水面上靜止漂浮了幾秒，伴隨著遙控器的啟動，機器人的四只足開端不斷劃動，下沉上浮、轉彎掉頭，機器人配合著指令不休改動四只足劃水的頻次和角度，游動的模樣像極了一只靈敏的小烏龜。
“不但浮現能力強，我們的數據目標還過關。”謝廣明的語氣像是正在先容自家孩子：“速度和標的目的控制力是機械人的‘基本功’。一樣平常來說大都機械人的挪動速度正在每秒0.03至0.8倍體長，我們這只仿生機械人正在剛性地形上可到達每秒活動0.97倍體長，轉彎速度還到達了每秒25.4度，這個成果就算是兩棲機械人中比力精彩的了。”
將來，這只由3D打印機上出生的小烏龜，有望幫忙人類正在兩棲環境中，完成搜索、偵探等重要任務。
團隊成員為來北大校園觀光的小朋友講授機械魚。材料圖
由未名湖游向地球南北極
跟著手藝的提拔，團隊不再滿足于對仿真機器人速度、標的目的操縱等性能方面的研討，他們逐步將目光聚焦于機器人的運用功效，正在優化和拓展使用空間高低工夫。
一種名為“箱鲀”的魚進入了團隊的視野，它也有個更形象的名字——盒子魚。大大的肚子，玲瓏的背鰭，尾部如船舵般掌控標的目的，這一些特點正在水下機器人仿生工具身上，可謂完美。
“這類魚的內部空間大，攝像頭、控制電路、電池、傳感器等都可以塞下。”謝廣明托著一只黃色的箱鲀模子，方形的肚子使它可以正在手中穩穩豎立。“您看，它的臉還取平常的魚不一樣，由正面看是向內凹的，有科學家經由研討發覺，當水下各類亂流向它沖來時，內凹的臉可以幫它保持穩定，不易翻倒。”別的，它另有蓬勃的鰭肢，特別是胸鰭和尾鰭的共同，使它正在水中游動更靈敏。
光有完美的外形還不敷，內部結構的設計更為重要。由謝廣明領銜，各專業后臺的博士生構成多個科研小組，分離賣力機器、電路、步伐等多方面設計。以步伐組為例，須要設計多種節制算法，讓魚的鰭肢和身體合營，游出直線、曲線、圓圈等差別軌跡。
“光是練習魚游直線就花了小兩年時候，先正在虛擬環境下恣意畫一條軌跡，正在計算機中頻頻練習跑數據，約莫跑了十萬組數據吧，終究游直了。”謝廣明說，就像教小孩匍匐、站立、行走、跑步一樣，機械魚逐步學會了行進、撤退退卻、轉圈，終究就連前滾翻、橫滾翻都能隨意馬虎完成。
2010年，箱鲀機械魚正在北大未名湖中實現了首游，團隊為它安裝了攝像頭，借助箱鲀的眼睛，師生們第一次看到了未名湖水下的場景。
然而，他們還發現了一個新問題——“當天各人都很沖動，機械魚還由白晝游到了夜晚，當天氣漸漸陰暗，攝像頭就‘歇工’什么還看不清了。”
自然界的魚還會碰到入夜，它們是如何處理的呢？謝廣明向北大性命科學學院的同事討教，這才了解，本來魚有一類特別的感知器官叫做側線體系，分布正在體側和臉部。魚類能夠借助這套體系感觸感染身體四周水流的渺小變更，進而感知到障礙物和其他火伴，還能構成群體。
謝廣明由手機相冊中翻出一張機械魚的“解剖圖”，上面清楚地顯現，9個名為“壓強傳感器”的渺小零件被植入機械魚體內，辨別位于身體兩側和臉部。“我們參照側線體系，采取雷同道理設計了傳感器，模擬出魚類的感知本領。”他邊說邊將一塊泡沫板安排正在水面上，平凡的機械魚正在未經操控的情況下直接沖撞了上去，而裝備了傳感器的機械魚則慢吞吞地繞過障礙物，像是“看”到了泡沫板。
由實驗室的魚缸，到校園的未名湖，機械魚的“理想”不止于此。
2012年，團隊拜托國度科考隊員把機械魚帶到了北極海疆；2014年，機械魚又實現了正在南極海疆的首航。“本來只是想去極度環境中試試水，沒想到機械魚顯露還不錯。”謝廣明笑著列出兩次遠征的“成績單”——借助傳感器，機械魚采集了南北南北極的水質、鹽度、溫度等數據，還傳回了幾段取冰川的合影視頻。
自然還留下了一些遺憾。“只管機械魚正在南北極嚴寒的水中游起來了，但僅正在水面上撲騰了一會兒，沒能像正在未名湖一樣，下潛到水下。”厥后，團隊剖析思量機械魚多是受到了海水浮力的危害。“雖然說帶了點遺憾返來，但還就算是代表團隊出征地球南北極，為今后的科研指了條新路。”謝廣明欣喜地說。
以自然為師反哺大自然
2018年5月4日，北京大學迎來120周年校慶。這一天對謝廣明而言，也有另外一層特別的意義——智能仿生設計實驗室正式建立。實驗室立足于智能仿生設備取體系的設計、研發和現實利用，展開自然界生物個別功效的仿生立異，摹仿生物的活動、感知、定位、通信、功課等才能，并將其取人工智能機器人技能融會。
機械魚還為實驗室的建立“獻禮”。同年，由謝廣明團隊門生研發的天下上首條水下拍照機械魚，獲得了國際消費類電子產品博覽會（CES 2018）創新獎，并樂成進行了產業化。
應對這一些成就，謝廣明始終沒有忘掉本人的初心：“讓仿生機器人經由過程水下功課，為老百姓干點實事。”
當下，他率領團隊還正在為此勤奮——
水下功課，僅靠一兩條機械魚是沒法完成的，須要必然數目的機械魚相互配合、分工協作，構成群體。“不可以每一條機械魚皆靠人工遙控，太費時艱苦了。”謝廣明攤了攤手，接著說，“能不可以找到一種體例，讓機械魚本身溝通交流呢？”
此次，團隊由迢遙的南美洲亞馬遜河請來了一種名為“線翎電鰻”的魚。絕大多數時辰，它們喜好躲藏在密植的水草叢中，巖石、沉木漏洞的昏暗環境里，靠體內的弱電流來精確感知水流、障礙物和食品。“這種弱電魚經由過程調解身體，形成了一個交變的電場，被別的一條魚感知到，就能夠和伙伴‘打招呼’了。”
受此啟示，團隊中主管電路的小分隊建立了適用于機械魚的理論模子，包含發射電路、接納電路和通信編碼協定，設計安裝好電路后，兩條機械魚就實現了水下的信息溝通。
謝廣明向記者展現了最新的實驗結果。他向魚缸里放入兩條機械魚，漂浮在水面上的是“魚王”，賣力千叮萬囑，潛入水底的是追隨者。啟動法式后，兩條魚與此同時進步，“當前面有障礙物時，魚王收回‘上浮’旌旗燈號，水中的魚就徐徐上浮，繞過障礙物。”謝廣明注釋，雖然說通信間隔還不論是很遠，但這是機械魚經由過程新型的水下通信方法履行的首個指令。
正如人工智能遁不開圖靈測試，機械魚也要接受“真魚測試”。隨后，謝廣明把機械魚放進了北大未名湖里，經由一段時間的順應，湖里的錦鯉漸漸地堆積正在機械魚身后，形成了群體游動。
真魚對機械魚的“承認”，具有更高的使用價值——引誘真魚洄游。當下，謝廣明團隊正正在和水利工程團隊展開互助，正在恰當的季候，使用機械魚將真魚引誘到大壩的洄游魚道上，以珍愛物種持續。
伴隨著科研的逐漸深入，謝廣明的仿生工具正正在向水下的各個角落延長：生活中普遍的鯉魚、草魚，正在海洋中暢游的海豚、鯨魚、章魚，兩棲動物蠑螈……越來越多的水下生物由自然界“游”進實驗室，向人類展現著活動、通訊、感知、抓取等多樣的“超能力”。
優勝劣汰，優勝劣敗。顛末冗長進化的大浪淘沙，地球上的生物可以很好的順應特定環境，繁育后裔。以自然為師，向大自然進修。人類經過鑒戒生物的特色，探索更多樣的天下，“這便是仿生的魅力！”
面向未來，謝廣明滿懷獵奇和希望：“水下另有太多奧秘等待著人類的發覺。探索未知，效勞人類，是機械魚承當的任務，也是團隊永久的方針。”