前沿 | 让机器鱼混进鱼群内部！哈佛科学家研发鱼群机器人

来源：中国电子学会

捕鱼时要小心了！成群游走的不一定是真鱼，还可能是机器鱼。

编译 |  信仪

编辑 |  漠影

智东西1月18日消息，近日，哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）和威斯生物工程研究所（Wyss Institute for biological Inspired Engineering）的研究人员研发出一组鱼形水下机器人，它可以像鱼一样平静地聚在一起，也可以自动导航并且寻找彼此，协作完成任务。这也是研究人员首次在水下机器人领域，展示了具有内隐协调（implicit coordination）的复杂三维集体行为。

鱼类成群结队的行为，可以帮助它们寻找食物、进行迁徙或躲避捕食者。没有任何一条鱼在协调他们的队列，也没有鱼“交头接耳”讨论它们下一步该做什么。相反，这样的集体行为来源于所谓的内隐协调——鱼类可以根据自己看到的同类行为作出决定。这种分散的、但具有自主性的自我组织，长期以来一直吸引着科学家探索。

▲鱼形水下机器人Blueswarm

空中的无人机在各个领域证明了自己的价值，水下无人机也可以在生态、航运和其他水下领域的场景中体现其价值。

在过去的几年中，人们已经对一些有趣的水下机器人有些许了解，其中最常见的类型是一种“鱼雷”式机器人。这种机器人在开放水域巡航时效率很高，但不适用于在珊瑚礁或码头的角落和缝隙中巡航。

为了在复杂细微的水下环境巡航，威斯研究所通过对大自然的探索，制造出了一款仿生机器人。这款仿生机器人不仅模仿了鱼的形状，还模仿了鱼群的活动。

作者Florian Berlinger和Radhika Nagpal将他们的研究成果写成论文，近期，论文被发表在了《Science Robotics》上。

01.

成为鱼，融入鱼群

Nagpal在潜水时看到鱼成群结队地游走，便开始追问：“我们是不是能创造出一个机器人群体，使它们在运动时能具有像鱼群一样的群体一致性？”

▲Blueswarm的组成结构

因此，这次科学家们研发出了一个名叫Blueswarm的小型机器人。通过3D打印，这个机器人被制造成了鱼的形状，它以螺旋桨为鳍，以照相机为眼。

Berlinger说：“机器人通常被部署在人类无法接近，或是危险的地区。在这些地方，人类甚至无法对机器人进行干预。在这种情况下，一个能够自给自足，且具有高度自主性的群体的优势就非常明显。通过对内隐规则和3D视觉的使用，我们能够在没有GPS和WiFi支持的水下环境，创建一个具有高度自主性和灵活性的水下系统。”

虽然在人类的眼中，这些机器人与真正的鱼还有很大差别。但对于一条普通的鱼来说，这样的机器人远没有一根六英尺长的金属管子那么吓人，也不会因为搭载的螺旋桨发出巨大声响而吓走鱼群。

02.

模仿鱼群活动细节，符合水下工作需求

在三维空间中工作，对于水下机器人来说也是个不小的挑战。因此，研究人员在Blueswarm身上配备了发光二极管，使其能像海底生物向同类发信号一样发光，并使用自定义算法来确定各个机器人的的距离、方向和航向。LED光源散发光的强弱和变化，取决于每个机器人所在的位置和周边环境。

Blueswarm基于相机和机器人最前端的光敏传感器，对其游泳动作和发光情况进行调整，自动将多个个体组织成集群在水中游动。它们可以构建出一个“铣削（注：将毛坯固定，用高速旋转的铣刀在毛坯上走刀，切出需要的形状和特征）”模式，让新加入的机器人不管在任何角度插进队伍都能及时适应“鱼群”的运动状态。

▲多机器人构建出“铣削”模式

除了能够形成集群运动，这些机器人还能一起完成一些简单的任务，比如对特定物品进行搜索。如果研究人员要求一个由Blueswarm机器人组成的小组在水箱中找到一个红色的LED灯，它们可以各自独立对这个灯进行搜寻，而当其中一个机器人找到指定的灯时，它会改变自己身上LED灯闪烁的状态来提醒其它机器人。

Nagpal说：“Blueswarm的研究成果代表了水下自组织集体行为研究的一个重要里程碑。”这项技术的用途在于，首先，这些机器人可以在不惊动海洋生物的前提下，监测它们的健康状况。其次，机器人可以使用摄像机制成的眼睛探测到特定物体。同时，它们还可以在码头和船只的下方，以更有效的方式检查船体。也许，它们还能在搜救中发挥作用。

通过这项研究，人们不仅可以构建更先进的机器人集体，还对自然中动物集群式活动有了更深刻的了解。

“鱼类在群体游动中遵循着简单的行为模式，这种模式很美丽，但却难以被发现。” Berlinger说，“其他研究人员已经联系到我，想用我们的Blueswarm作为鱼类的替代品，帮助他们进行鱼类游泳和与鱼群相关的生物学研究。他们的实验室欢迎Blueswarm加入，这让我非常高兴。”

▲Blueswarm融入鱼群

03.

结语：仿生机器人——从模仿自然到融入自然

哈佛大学研究人员这次研发的水下机器人不仅在外形上对鱼进行了模仿，甚至把鱼的集群行为也模仿得惟妙惟肖。以往，仿生机器人追求的是与生物个体的相似，而水下机器人追求的仅是个体能在水下灵活行进和工作，很少考虑到与水下生物的兼容情况。

如今，Blueswarm为水下机器人和环境及水中生物的兼容方面开了一个先河。仿生机器人已经不止模仿单个自然生物外形，它们正在逐步融入进自然环境，成为大自然的一部分。

来源：智东西