江南可采莲，莲叶何田田。鱼戏莲叶东，鱼戏莲叶西……
早正在约两千年前，鱼儿正在莲间游玩的生动景色就被刻画正在诗歌中，撒布至今。
当下，正在北京大学未名湖里，也是有一群倏尔远逝、来往翕忽的鱼儿，领头的那只体型较着大过搭档，灵敏地摆动着身体。眼尖的门生越看越觉过失劲儿，猎奇地将它从水里捞出，掂正在手里，才发觉它并不是新鲜之鱼，反而是由冰冷的机械零件组装的仿真鱼。
二十余年来，北京大学工学院传授谢广明团队聚焦仿生机械人，不息探索机械人水下功课范畴，科研成果颇丰。而被他经心“哺育”的机械鱼，不只能够像真鱼一样，正在水里游动、感知环境、互相交换，还被高新科技给予了很多“特异功能”——
安上摄像头便是一台水下探测仪，能够清楚地为水下环境摄影，并实现数据传输；装上抓手就可以取代潜水员，下潜到人类没法抵达的深度，即便正在卑劣混浊的水下环境中，还能够经过触觉感知本领抓取物体；还能正在鱼群中“偷天换日”，引诱鱼群游向合适的水域……
谢广明
未名湖上演“遛鱼”大戏
明丽的秋天午后，阳光洒正在北京大学未名湖上，一阵金风抽丰拂过，水面出现粼粼波光。岸边堆积的人群中，谢广明手拿一台小型遥控器，目光紧盯湖面，手里一直拨弄着。正在他的操控下，一条玄色的机械鱼自若地正在水中上浮下潜、进步撤退退却，还淘气地将漂浮的落叶顶出水面，一番花腔行动，引来浩瀚师生围观。
“快看，那几条鱼还真游过来了！”机械鱼的“扮演”还吸引了正在湖中生活的锦鲤，游来一探毕竟。几条鱼猎奇地围着这只“泥足巨人”转了一圈又一圈，还不时谨小慎微地“啄”上一口。不一会儿，一支壮观的鱼群大队形成了，正在机械鱼的率领下，徐徐游向远处。
如许风趣的“遛鱼”场景，经常在北京大学未名湖畔呈现。
2012年，谢广明进入北大力学系攻读博士后，并为本人挑选了一个正在那时不太热点的研讨标的目的——机器人。“选这个标的目的便是想做点看得见、摸得着的工具。”谢广明说，本人本科和博士分离读的是数学和自动控制专业，那时就以为专业内容离事实使用有点远，“总感到弄底子理论研讨不敷‘解气’，就想做点老百姓平常能用得上的研讨。”
然而，机械人分类多样，有以无人机为代表的空中机械人，还是有相似无人驾驶汽车的陆地机械人，就连能与孩子对话的布娃娃还被回为机械人类。正在如斯复杂的研讨标的目的中，如何就锁定了水里游的仿生机械鱼呢？面临记者的发问，谢广明顿了顿，认真地说：“由于水下的天下远比我们设想得要出色。”
地球实际是个水球，超越70%的外貌被水笼罩，而水下也是有很多人们赖以生存的“宝藏”。谢广明举例：“人人皆爱好吃海鲜，但多数人不知道的是，扇贝、鲍鱼、海参等海鲜的捕捉实际实际不轻易。”他回想，往海边调研时曾见过蛙人下海捕捞的历程，很辛劳。由于水深气压大，他们每一次只会下潜不到30分钟，工夫长了，还会落下潜水病取减压病等职业病。
“那时我就想，为何没有一种水下机器人，可以实现精准捕捞，取代人类去做这类体力活呢？”谢广明的初心，就像当初挑选研讨机器人一样，简朴且务实。
人类想要飞上天空，由鸟类起头仿照，终极制出了飞机。当科学家想要探索水下天下，还要向水底的“原住民”讨教，谢广明将视野锁定在了鱼身上。
作为一位理科生，谢广明眼中的鱼拥有怪异的研讨特征：游动服从比螺旋桨推进高很多，并且有很好的机动性，可以矫捷地正在障碍物中穿越自若。颠末亿万年的进化，它们很是顺应水下的卑劣环境。“地球上最深的中央是马里亚纳海沟，到过那边的人很少，却依旧有鱼类生计，我们何不向它们进修，借助仿生机械鱼往探寻更多未知的天下呢？”
2012年仿箱鲀机械鱼首航北极海疆。材料图
3D打印出水陆“侦察兵”
仿生机器人的研发离不开三个阶段：探求模拟工具、设计机关、实验测试改善。“简朴来说，这三点便是我全数的事情内容。”谢广明说。不痛不痒的背后，蕴含了二十余年的研究和起劲。
正在北京大学工学院的一间实验室中，安排着一个长方形的鱼缸，这里曾是各类鱼类的“训练场”——“鲤鱼、锦鲤、箱鲀皆养过，买回来让它们正在鱼缸里游一游，利便观察学习。”谢广明边比画边表明，不一样鱼类的游动姿态有差别，就拿尾鳍来讲，有的左右摇摆，有的高低翻动。姿态不一样，对标的目的的把控也是有危害。
团队成员需求仔细观察鱼的游动姿势，经过力学阐发、数字建模等，探求最适合机械鱼的活动体式格局。“正在这间实验室里常常能听到门生叹息：之前途经未名湖怎样就没发觉，一条鱼竟有这么多种游动姿势！”谢广明笑着说。
谈起鱼，谢广明就像打开了话匣子，千语万言地向记者讲起团队取鱼之间的故事。令他印象最深刻的是十几年前，团队成员已经跑遍了菜市场，只求买一条表面都雅的锦鲤。“都雅可不只是为了悠然自得，还对科研有辅助。”
本来，当时3D打印还没有遍及，制造机械鱼的外壳用的仍是传统的要领，须要找专业的工匠师傅制造模子。“买回一条外形比力‘标记’的鱼，放冰箱里冻得邦邦硬，再找师傅参照冻鱼分几部门削出模子，拼在一起拿给工场举行机械加工。一通忙活，少说还得半个月。”谢广明无奈地摆了摆手，接着又笑着说，“而今可好了，激光扫描加3D打印机就可以解决问题！”
讲到这儿，谢广明起家走向办公桌，拿起一件红色的小物件向记者展现。“您看，这是我们团队使用3D打印最新设计的柔性仿生两栖机器人，能在平滑斜坡、石子路、泥泞地、水面等各类环境中活动。”他手中的小机器人，中央部门呈卵形，四周分别有四条锯齿状的腿，能够自在扭动，看起来像一只没有脑壳的小乌龟。
“仿的便是乌龟。”谢广明说，团队根据观察发觉，乌龟四只足瓜代抬起，以匍匐活动的姿势实现直线活动；以一条腿为轴不动，其他三条腿挪动而实现转弯。受此启示，团队为机器人设计了一条仿生腿：由两个垂直的气囊构成，气囊之间的毗邻充任仿生枢纽，内部根据机电驱动实现三维活动，对活动按次举行编程，还能够完成各色各样的活动步态。
谢广明边说边把机器人放进鱼缸里，它先是正在水面上静止漂浮了几秒，伴随着遥控器的启动，机器人的四只足开端不断划动，下沉上浮、转弯掉头，机器人配合着指令不休改动四只足划水的频次和角度，游动的模样像极了一只灵敏的小乌龟。
“不但浮现能力强，我们的数据目标还过关。”谢广明的语气像是正在先容自家孩子：“速度和标的目的控制力是机械人的‘基本功’。一样平常来说大都机械人的挪动速度正在每秒0.03至0.8倍体长，我们这只仿生机械人正在刚性地形上可到达每秒活动0.97倍体长，转弯速度还到达了每秒25.4度，这个成果就算是两栖机械人中比力精彩的了。”
将来，这只由3D打印机上出生的小乌龟，有望帮忙人类正在两栖环境中，完成搜索、侦探等重要任务。
团队成员为来北大校园观光的小朋友讲授机械鱼。材料图
由未名湖游向地球南北极
跟着手艺的提拔，团队不再满足于对仿真机器人速度、标的目的操纵等性能方面的研讨，他们逐步将目光聚焦于机器人的运用功效，正在优化和拓展使用空间高低工夫。
一种名为“箱鲀”的鱼进入了团队的视野，它也有个更形象的名字——盒子鱼。大大的肚子，玲珑的背鳍，尾部如船舵般掌控标的目的，这一些特点正在水下机器人仿生工具身上，可谓完美。
“这类鱼的内部空间大，摄像头、控制电路、电池、传感器等都可以塞下。”谢广明托着一只黄色的箱鲀模子，方形的肚子使它可以正在手中稳稳竖立。“您看，它的脸还取平常的鱼不一样，由正面看是向内凹的，有科学家经由研讨发觉，当水下各类乱流向它冲来时，内凹的脸可以帮它保持稳定，不易翻倒。”别的，它另有蓬勃的鳍肢，特别是胸鳍和尾鳍的共同，使它正在水中游动更灵敏。
光有完美的外形还不敷，内部结构的设计更为重要。由谢广明领衔，各专业后台的博士生构成多个科研小组，分离卖力机器、电路、步伐等多方面设计。以步伐组为例，须要设计多种节制算法，让鱼的鳍肢和身体合营，游出直线、曲线、圆圈等差别轨迹。
“光是练习鱼游直线就花了小两年时候，先正在虚拟环境下恣意画一条轨迹，正在计算机中频频练习跑数据，约莫跑了十万组数据吧，终究游直了。”谢广明说，就像教小孩匍匐、站立、行走、跑步一样，机械鱼逐步学会了行进、撤退退却、转圈，终究就连前滚翻、横滚翻都能随意马虎完成。
2010年，箱鲀机械鱼正在北大未名湖中实现了首游，团队为它安装了摄像头，借助箱鲀的眼睛，师生们第一次看到了未名湖水下的场景。
然而，他们还发现了一个新问题——“当天各人都很冲动，机械鱼还由白昼游到了夜晚，当天气渐渐阴暗，摄像头就‘歇工’什么还看不清了。”
自然界的鱼还会碰到入夜，它们是如何处理的呢？谢广明向北大性命科学学院的同事讨教，这才了解，本来鱼有一类特别的感知器官叫做侧线体系，分布正在体侧和脸部。鱼类能够借助这套体系感触感染身体四周水流的渺小变更，进而感知到障碍物和其他火伴，还能构成群体。
谢广明由手机相册中翻出一张机械鱼的“解剖图”，上面清楚地显现，9个名为“压强传感器”的渺小零件被植入机械鱼体内，辨别位于身体两侧和脸部。“我们参照侧线体系，采取雷同道理设计了传感器，模拟出鱼类的感知本领。”他边说边将一块泡沫板安排正在水面上，平凡的机械鱼正在未经操控的情况下直接冲撞了上去，而装备了传感器的机械鱼则慢吞吞地绕过障碍物，像是“看”到了泡沫板。
由实验室的鱼缸，到校园的未名湖，机械鱼的“理想”不止于此。
2012年，团队拜托国度科考队员把机械鱼带到了北极海疆；2014年，机械鱼又实现了正在南极海疆的首航。“本来只是想去极度环境中试试水，没想到机械鱼显露还不错。”谢广明笑着列出两次远征的“成绩单”——借助传感器，机械鱼采集了南北南北极的水质、盐度、温度等数据，还传回了几段取冰川的合影视频。
自然还留下了一些遗憾。“只管机械鱼正在南北极严寒的水中游起来了，但仅正在水面上扑腾了一会儿，没能像正在未名湖一样，下潜到水下。”厥后，团队剖析思量机械鱼多是受到了海水浮力的危害。“虽然说带了点遗憾返来，但还就算是代表团队出征地球南北极，为今后的科研指了条新路。”谢广明欣喜地说。
以自然为师反哺大自然
2018年5月4日，北京大学迎来120周年校庆。这一天对谢广明而言，也有另外一层特别的意义——智能仿生设计实验室正式建立。实验室立足于智能仿生设备取体系的设计、研发和现实利用，展开自然界生物个别功效的仿生立异，摹仿生物的活动、感知、定位、通信、功课等才能，并将其取人工智能机器人技能融会。
机械鱼还为实验室的建立“献礼”。同年，由谢广明团队门生研发的天下上首条水下拍照机械鱼，获得了国际消费类电子产品博览会（CES 2018）创新奖，并乐成进行了产业化。
应对这一些成就，谢广明始终没有忘掉本人的初心：“让仿生机器人经由过程水下功课，为老百姓干点实事。”
当下，他率领团队还正在为此勤奋——
水下功课，仅靠一两条机械鱼是没法完成的，须要必然数目的机械鱼相互配合、分工协作，构成群体。“不可以每一条机械鱼皆靠人工遥控，太费时艰苦了。”谢广明摊了摊手，接着说，“能不可以找到一种体例，让机械鱼本身沟通交流呢？”
此次，团队由迢遥的南美洲亚马逊河请来了一种名为“线翎电鳗”的鱼。绝大多数时辰，它们喜好躲藏在密植的水草丛中，岩石、沉木漏洞的昏暗环境里，靠体内的弱电流来精确感知水流、障碍物和食品。“这种弱电鱼经由过程调解身体，形成了一个交变的电场，被别的一条鱼感知到，就能够和伙伴‘打招呼’了。”
受此启示，团队中主管电路的小分队建立了适用于机械鱼的理论模子，包含发射电路、接纳电路和通信编码协定，设计安装好电路后，两条机械鱼就实现了水下的信息沟通。
谢广明向记者展现了最新的实验结果。他向鱼缸里放入两条机械鱼，漂浮在水面上的是“鱼王”，卖力千叮万嘱，潜入水底的是追随者。启动法式后，两条鱼与此同时进步，“当前面有障碍物时，鱼王收回‘上浮’旌旗灯号，水中的鱼就徐徐上浮，绕过障碍物。”谢广明注释，虽然说通信间隔还不论是很远，但这是机械鱼经由过程新型的水下通信方法履行的首个指令。
正如人工智能遁不开图灵测试，机械鱼也要接受“真鱼测试”。随后，谢广明把机械鱼放进了北大未名湖里，经由一段时间的顺应，湖里的锦鲤渐渐地堆积正在机械鱼身后，形成了群体游动。
真鱼对机械鱼的“承认”，具有更高的使用价值——引诱真鱼洄游。当下，谢广明团队正正在和水利工程团队展开互助，正在恰当的季候，使用机械鱼将真鱼引诱到大坝的洄游鱼道上，以珍爱物种持续。
伴随着科研的逐渐深入，谢广明的仿生工具正正在向水下的各个角落延长：生活中普遍的鲤鱼、草鱼，正在海洋中畅游的海豚、鲸鱼、章鱼，两栖动物蝾螈……越来越多的水下生物由自然界“游”进实验室，向人类展现着活动、通讯、感知、抓取等多样的“超能力”。
优胜劣汰，优胜劣败。颠末冗长进化的大浪淘沙，地球上的生物可以很好的顺应特定环境，繁育后裔。以自然为师，向大自然进修。人类经过鉴戒生物的特色，探索更多样的天下，“这便是仿生的魅力！”
面向未来，谢广明满怀猎奇和希望：“水下另有太多奥秘等待着人类的发觉。探索未知，效劳人类，是机械鱼承当的任务，也是团队永久的方针。”