仿生机器人研究新进展：“间谍鱼”潜伏到鱼群中！

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仿生机器人研究新进展：“间谍鱼”潜伏到鱼群中！

2017 年 11 月 10 日 IntelligentThings John

导读

最近，瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员开发出一种模仿鱼的微型机器人，它们可以伴随鱼一起游动，研究鱼之间是如何相互交流的，并且使鱼改变方向或者聚集到一起。

关键字

机器人、仿生学

背景

也许，大自然是人类最好的老师，许多科学创新都是从大自然中汲取灵感。这也被称为“仿生学”，笔者之前多次介绍过仿生学相关的创新研究案例。今天，我们要重点关注机器人领域的仿生学，也就是模仿某些动物特征的机器人。

让我们从十个经典案例开始！

案例一：美国北卡罗莱纳州立大学的研究人员开发了一种软硬件结合的方案，使用无人机和昆虫机器人，绘制大范围陌生区域的地图，例如灾难后倒塌的建筑物。

（图片来源：Edgar Lobaton）

案例二：波兰华沙大学物理学院的研究人员，使用液晶弹性体技术，开发出一种智慧微型机器人，它可以模仿毛虫的步态。这个15毫米长的软体机器人，从绿色光线上吸收能量，受到空间调制的激光射线控制。除了在平面上移动，它也可以爬过山坡，挤过窄缝，运输东西。

（图片来源：华沙大学物理学院）

案例三：挪威科技大学 (NTNU)的衍生公司，挪威国家石油公司以及挪威康斯伯格海事公司一起开发出一种称为 Eelume 的机器人，它的形状像蛇，可在水下滑行，完成各种任务。

（图片来源：康斯伯格海事公司）

案例四：美国斯坦福大学的研究人员开发出一种多模态机器人，利用仿生学原理，模仿飞虫和鸟类，能够完成攀爬和栖息。

（图片来源：斯坦福大学）

案例五：美国哈佛大学工程和应用科学学院开发的 RoboBee 昆虫机器人，即可以游泳也可以飞行。

（图片来源: 哈佛大学）

案例六：韩国首尔大学和美国哈佛大学研究人员设计了模仿“水黾”的机器人，它可以在水面上跳跃。

（图片来源：首尔国立大学）

案例七：以色列特拉维夫大学的研究人员设计出模仿蝗虫的微型机器人，它可以跳过两倍高度的类似设备，用于灾害搜救。

（图片来源：以色列特拉维夫大学）

案例八：不同于大多数的海洋生物，海狮使用他们的脚蹼，而不是尾巴来前进。为了将这种设计应用于人类技术，美国乔治华盛顿大学的机械和航空航天工程系的教授 Megan Leftwich 开发了自动的海狮脚蹼。

（图片来源：乔治华盛顿大学）

案例九：美国麻省理工学院开发的猎豹机器人，它可以在校园的草坪上自由跳跃，越过行进路线上的障碍物。

（图片来源：麻省理工学院）

案例十：像跳跳鱼一样的动物，会使用改进的鳍状在平面上移动，但是对于攀爬沙丘，动物必须使用尾巴推进前行。因此，科学人员由此受到启发，设计出两栖机器人，更有效地在颗粒表面移动，卡在泥里面的可能性更小。

（图片来源：佐治亚理工学院）

创新

这么多的仿生机器人研究案例让我们眼花缭乱，而今天我们要再介绍一项和仿生相关的创新研究成果。

最近，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员开发出一种新的微型机器人，它们伴随鱼一起游动，研究鱼之间是如何相互交流，且让它们改变方向或者聚集到一起。这些能力已经通过斑马鱼群得以证实。

（图片来源： EPFL）

EPFL 机器人系统实验室（LSRO）的研究人员，在 Francesco Mondad 教授的带领下，开发出的这种微型机器人可以完全融入到斑马鱼群中。他们的研究成为了欧盟六个伙伴机构的研究项目中一部分，相关研究成果最近发表于《生物启发和仿生学》（ Bioinspiration & Biomimetics）杂志。

技术

Frank Bonnet 是LSRO的博士后研究员，论文的作者之一。他笑着说：

“我们创造出的这种‘间谍’鱼可以潜伏到小鱼群中。”

这种机器人的长度只有7厘米，比它要模仿的鱼略长，但是具有同样的大小和比例。它装备有磁体，让它可以和鱼缸下安装的任何微型引擎联系起来，驱动其在水中运动。研究人员选择了斑马鱼进行研究，因为它是一种健壮的物种，这种鱼群转换方向和移动的速度非常快。

（图片来源： EPFL）

这个研究项目有两方面。第一个是生物学方面，研究鱼个体之间的社交互动。机器人可以帮助科学家生成有针对性的刺激，测试鱼的反应。第二个方面是机器人方面，而这也是EPFL研究人员工作的重点。

首先，团队判断出机器人融合到鱼群中以及后续影响它们行为的关键条件。这些标准包括鱼的物理特征，例如形状、颜色、条纹等等，同时也考虑到了它们的行为特征，例如线速度、加速度、鱼个体之间的距离、鱼群的大小、它们的振动与运动以及它们摆动尾巴的节奏。

研究人员也想要开发出一个闭环系统，让机器人不仅可以影响鱼的行为，而且可以通过学习如何鱼交流以及像它们一样游动，改变自己的行为。机器人的游动机理（最初在生物学家的帮助下设计），随着与鱼待在一起的时间增长，得以逐渐提高。

团队在不同的鱼缸中测试他们的机器人，其中有些鱼缸划分了小房间和廊道之类的区域。测试中引入了四种斑马鱼的十个鱼群，每个鱼群都和机器人发生交互。对于每个测试来说，研究人员记录了每条鱼的位置和运动、鱼群的整体运动情况，以及机器人融入鱼群的情况。然后，他们将研究成果与同一条件下没有机器人参与的五个斑马鱼群的观察结果进行比较。他们的研究成果是明确的。