吴奖人物丨以自然为师，打造智能仿生机器鱼——访北京大学工学院教授、博士生导师谢广明

谢广明，北京大学工学院工业工程与管理系教授、博士生导师，国家自然科学基金项目通讯评议专家、霍英东教育基金会课题和青年教师奖通讯评议专家。主要研究方向：复杂系统动力学与控制、智能仿生机器人、多机器人系统与控制，发表学术论文两百余篇、被SCI收录超过70篇、EI收录超过100篇、发明专利授权10余项。2015年他凭借“智能仿生机器人与多机器人协作的关键性技术研究”成果，荣获第五届吴文俊人工智能科学技术创新奖二等奖，同年“网络化动态系统的分析与控制项目成果获得教育部自然科学奖一等奖，2017年该项目再次斩获国家自然科学奖二等奖。

“为什么要研究像鱼一样的机器人？仔细想一想，地球是个水球，70%被水覆盖，这个水世界的主宰是谁呢？其实是鱼类，鱼类最适应水环境。”谢广明表示，物竞天择，适者生存，经过不断的淘汰，到现在人类命名的鱼也超过3万多种，而且还不断有新的物种被发现。这些鱼形态各异，有的适合在浅滩；有的可以深到几万米；有的机动灵活；还有的可以长途奔袭游上万公里。正是因为鱼有这些优点，引起了我们科技工作者的注意。我们希望去模仿，以它们为师，去研究、制造将来像鱼这样的机器。

谢广明认为，水下仿生机器人的研究具有重大意义，它的应用前景非常广泛。同时，谢广明表示，水下环境非常复杂，仿生鱼在水下的供能、通信等方面的能力非常有限。我们的目标是研究出机器鱼群，所以既要注重单体的研发，也要注重群体技术的研发，我们希望机器鱼群可以解决一些实际问题。

谢广明认为，水下仿生机器人的研究具有重大意义，它的应用前景非常广泛。同时，谢广明表示，水下环境非常复杂，仿生鱼在水下的供能、通信等方面的能力非常有限。我们的目标是研究出机器鱼群，所以既要注重单体的研发，也要注重群体技术的研发，我们希望机器鱼群可以解决一些实际问题。

相比鱼，机器鱼的历史就短了很多。从第一条机器鱼诞生到现在，也就二三十年的光景。虽然时间短，但是这个技术发展得非常快。现在国内外同行发布的文章、专利等一些东西，加起来也不下几十种了。

很多特点鲜明的鱼或者咱们能想到的鱼，基本都被作为仿造对象。世界上第一条仿生机器鱼，它1994年诞生在美国麻省理工学院。这个鱼大概有一米二长，游速最快可以达到每秒两米。

中国的机器鱼诞生也很快，大约在2000年前后，是北航和中科院自动化所联合研发的微小型仿生机器鱼。这个鱼要比美国那条鱼要小一些，身长大概有半米左右，游速也能够达到每秒半米左右。

研究这种仿生机器鱼有什么好处呢？其实在研究仿生的机器鱼之前，人们已经研发了很多水下的机器人，或者叫水下潜航器，水下航行器。名字有很多，但它基本上都是以一种螺旋桨的方式来推进。人们在用这些机器人去做一些实际事情的时候，就感觉不尽人意。

我们将问题归结为三点：

第一，螺旋桨推进的效率太低了，它可能顶多就是40%到60%这个程度，而鱼基本上都要超过80%。利用效率高的话能量就节省，可以干更多事情。

第二，螺旋桨推进转起弯来很费劲。它是一个很大的转弯半径，很不灵活，机动性很差。而真正的鱼类几乎可以原地转弯，上下乱窜，非常灵活。

第三，在军事背景上，螺旋桨旋转很容易被水下声纳扫到、探测到，那你就被敌人发现了。这也是为什么很多潜水艇到了工作地方之后，它要把所有的东西都关掉，保持静默。鱼没有螺旋桨就没有这个问题。

所以我们这些科技工作者就希望能够把生物界的优点学过来，让我们的水下机器人也具备这些优势。

我们研究鱼，不是说要把它的外表做得很像，是要追求它的功能。即使外表做的很像，但它实际的内部结构如果设计得不合理，游起来效果很差，那么这种仿生就失去了意义。就像咱们参观蜡像馆，很多名人的蜡像很逼真，但他们没有其他用途，只能用来满足你和你的偶像合个影，其他什么干不了。我们要做机器人，是真的希望把它能够在水中运动和其他一些功能学过来。

我们一开始以中华锦鲤为仿生对象做机器鱼，最初我们也是刻意先追求它运动起来像鱼，而不是说外观像鱼。我们挑了一条外观非常漂亮的锦鲤，把它低温速冻给冻硬了，赶紧拿三维扫描把它外观的数据测下来，构成数据模型。之后再用3D打印的技术，把它们整个打印出来，这样就做了一个仿生的壳体。

一开始我们在实验室的小水池，顶多两三米大，根本游不开，一些性能测不了。刚好我们比较幸运，北大有个未名湖，我们就把这个鱼扔到未名湖里游一游。现在大家一般都会养个宠物，养了宠物要去遛的，那我们就去遛鱼，去未名湖遛鱼是我们实验室的一个保留节目。

2012年，我们这个鱼游到了北极。又过了两年，我们的鱼成功实现了南极的首航。遗憾的是这鱼虽然是游了，但不是我亲自带着去的。这是国家科考的行动，是委托科考队员把鱼带过去。所以说是我的机器鱼代我去征服了世界的两极。

近几年，我们主要研究箱鲀鱼的仿生。箱鲀实际上分布非常广泛，太平洋、印度洋、大西洋都有，它是在珊瑚礁这种很复杂的环境里生活。珊瑚礁枝枝叉叉很多，水流有时候很乱很急。但这鱼很潇洒，它通过胸鳍与尾鳍的配合，可以在这种复杂的环境下自由地游来游去，不会碰到自己、伤到自己，机动性非常好。箱鲀的骨骼是内凹的，不是鼓着的。

箱鲀的英文名叫Box fish，盒子鱼，因为它看着就像一个盒子。它的骨头是硬的，把身体撑在那块儿形成一个盒子。科学家研究指出，通过流体建模进行数值仿真、进行流体实验，箱鲀这样一种奇特的外观确实有助于它在复杂的水环境下更稳定。我们将来可以在里面装很多人为的一些传感器，或者执行操作的东西，那就可以更便于应用。因此我们认为它是最佳的仿生对象。

我们开发完成的样机有一对独立驱动的胸鳍和摆动的尾鳍，胸鳍和尾鳍相互配合让机器鱼可以像真鱼一样游动。我们的仿生鱼可以前进、后退、上升、下降，我们接下来要实现前滚翻、后滚翻、侧滚，通过胸鳍和尾鳍的相互配合来实现一些复杂的动作。这样的话，将来到水下执行任务的时候，机器鱼就可以在复杂的环境中灵活的运动。

鱼类有一个特殊的器官，叫侧线系统。就在侧面以及它的面部分布着一些组织器官，这些组织器官专门对水流产生感觉。有这个感觉之后，它作用很大，不光是能感觉水流的变化，甚至能够感觉到障碍物，感觉到敌人，感觉到食物。侧线系统就是它们的独门秘笈。

我们就想，如果机器鱼也有这个技术那多好，所以我们在机器鱼上集成了压传阵列，根据侧线系统在面部和身体两侧各安装三个压传。现在我们能够通过压传道把鱼跟水流相对的方向、鱼相对的流速测出来。我们还想让仿生鱼通过侧线系统来感知与伙伴的位置关系，如果我们在前面摆一条机器鱼，它的摆动会产生一些涡，后面的鱼就能感受到它和前面这条鱼的相对的前后距离、左右距离，这样的话我们也能够做到这种仿真感知的能力。有助于维持鱼群的群体不变性，保持两条鱼位置关系的稳定。我们希望把侧线系统与之前的的运动功能结合起来形成闭环反馈，使仿生鱼既能运动又能感知环境。

仿生鱼在水下还要面对通信问题，机器鱼群需要伙伴之间进行沟通。水下通信一直是限制水下机器应用的一个很大的瓶颈，所以人们也开始尝试一些传统的比如光通信、声纳通信，但是效果都不是很理想。能不能有新的方式来实现近距离通信？启发来自生物界，我们找到一种弱电鱼，可以调整身体的机能，让自己身体形成一个电场，这个电场是变化的，可以把信号加载上去来传递给它的伙伴。

我们能不能赋予机器鱼这个功能呢？所以我们也给机器鱼设计了产生电场的电路。我们开始建立模型并进行理论分析，设计相应的电路系统，给仿生鱼安装发射电极和接收电极，最终成功实现了仿生机器鱼的新水下通信方式。

那机器鱼到底都有什么可应用的呢？其实这个回答是很显然的，我们举几个典型的例子：

例如，水下资源勘探或者水下科学考察。我们都看到过这样的新闻，潜水员去一个水库进行水下考古，结果不幸遇难了，失踪之后就一直找不到。这就是一个问题，你派人下去，水火无情，可能就有危险。以后我们不用人下去，派机器鱼下去就行了，我们带着相应的设备，把相应的信号采上来就可以了。

再比如，大家都喜欢吃各种各样的海鲜，吃是很好吃，但得之不易。像海参，它就是潜水员穿着很简陋的潜水服，拿着个网兜，潜到几十米的又冷又黑的水下迅速捡一些上来。不光是当时难受，这些人之后会得职业病，终身受罪。所以国家自然基金委举办完成了水下抓取比赛项目，也是希望我们派机器人下去，来代替这些人，解放这些人。还有不得不提的，就是军事方面应用。因为鱼的隐蔽性高，以后设计一个机器侦查鱼，悄悄游到岸边，可以进行侦查而不被发现。

所以这个应用领域非常广泛，如果将来这个技术成熟了，以后整个大洋里，除了有真的各种各样的鱼、海洋生物，也会有我们的机器鱼、机器海豚、机器水母等仿生机器人。

我们研究的基本思想就是向大自然学习，以大自然为老师，对于一些比较好的生物特性，我们可以尝试用于仿生机器人。个体仿生主要是实现高机动性、高效率的运动，通过通信组网我们可以实现群体仿生。

这是国外水下摄影大展的获奖作品，这些鱼为什么有这样的行为？这并不是因为好玩或是娱乐，唯一的目的是在恶劣、有限的资源环境下生存下去。很多计算机专业的可能都知道粒子群优化算法，而在生物界，通过群体的方式让整个种群延续下去这种行为是一个很值得研究的问题，即群体智能。群体智能也是人工智能很重要的研究分支，生物界那些个体能力很弱的群体智能很值得研究。所以我还是想强调不仅要关注个体仿生也要关注群体仿生。

不光是单个鱼可以做我们的老师，整个鱼群也可以给我们启发，也可以做我们的老师。这就促使我由原来的“个体仿生”进化到“群体仿生”。也就是说我们从单个鱼怎么游得好，感知得好，通信得好，还可以让一群鱼游得好。

鱼群有些特点：首先，这种形成鱼群的鱼，它的个体肯定很弱小，智商很低，能力很有限。其次，这一群鱼在一起游，其实没有一个统一的管理者或者领导，它们就是自发地就这么游了。我们可以想象一下，假设你突然让其中一条鱼消失，你会发现这个鱼群根本不知道这条鱼没了。另外，这些鱼群小的几十条，大的可能几千条上万条。但是每条鱼它不用很累，不用知道其他鱼的状况。假如你是一条鱼，咱们一群鱼团簇着，如果把其他的信息都告诉你，你其实也处理不了。换成鱼群，每条鱼只关心周围的情况，邻居的情况，然后根据这些情况做出决策，整体仿佛就拥有了群体智能。

所谓群体智能就是说个体智能很低，但是它们通过相互协作，从整体层面上能迸发出很强的能力。这种智能也值得我们学习，值得我们研究。

我们在北大未名湖测试过我们的仿生鱼，当机器鱼在水里游时，真鱼会被吸引跟在后面，机器鱼对真鱼的活动产生了影响。这是一个很有意思的现象，将来或许可以研究用仿生机器人去影响自然界，构成一种机器和生命的混合系统，达到一种道法自然的境界。

所谓道法自然是什么意思呢？本身自然除了存在这些客观的物质之外，它还有背后演化的客观规律。我们去利用自然的时候，希望能够更接近自然的规律去影响它、利用它。比如现在咱们抓鱼，一网下去，管它什么鱼呢，捞完再说。以后我们可以不再这么捕了，我派机器金枪鱼下去，专门把金枪鱼引到一个地方，我们就抓这些鱼，那多好。

我个人也有一个小梦想，很多人可能看过海洋馆的动物表演，我们看得很开心，但是你想没想过，这些动物开不开心？有些研究者发现，这些动物由于经常表演得了忧郁症，甚至自杀了。我们凭什么把快乐建立在动物的痛苦之上？所以我的小梦想就是，将来我们去研发很多这种机器动物代替它们，把它们放归自然。现在不知道能不能实现，但我会尽力。

设计和研发具有生物特征和功能的智能仿生水下机器人是机器人技术中的前沿领域，是人类认识海洋、开发利用海洋的关键技术手段；时空分布的多机器人协作技术具有更强的鲁棒性和可扩展性，不仅是智能机器人发展的前沿技术，也是培育机器人新产业革命的一种核心技术。机器人的仿生化、智能化和网络协作化是机器人技术的发展趋势，本项成果集中研究水下智能仿生机器人和多机器人协作的关键技术、理论和方法，主要内容包括：

（一）仿生水下机器人的研发及运动控制：分析典型水生生物的运动特性和原理，设计研发多款仿生机器人，实现仿生运动模式；基于中枢模式发生器设计仿生运动控制器，实现类似生物的多种运动模态；模仿生物水下交互方式，设计一套基于电场的水下近程通信系统，解决水下通信的瓶颈问题；多次完成野外试验，成功在北极和南极海域首航。

（二）多机器人协作的基础理论：展开多智能体系统的深入研究，仅利用局部信息设计分布式控制协议，使得整个系统具有自组织的能力，包括一致性、包围控制和首领可控性等；展开切换控制系统的深入研究，分析系统可达性、可控性、可镇定性和可检测性，设计切换控制器、状态观测器等。

（三）多机器人协作的关键技术：展开多机器人协作控制的深入研究，包括经典的环形编队控制问题，编队过程中的避碰问题；设计机器人协作定位算法、协作运输算法；设计基于仿生机器鱼的多机器人协作实验平台，展开实验研究；设计多机器鱼协作控制仿真实验平台，展开仿真研究。创立机器鱼水球竞赛，促进技术进步。

成果特点：本项成果既有系统的实验研究，也有深入的理论研究，二者紧密结合，相互支撑相互促进。研究既紧密结合机器人技术和海洋工程技术与装备等国家重大战略需求，也强调聚焦于学科发展的关键科学问题和学科的前沿基础研究，多项成果具有原始创新性，处于国际领先水平。

成果影响：该成果的主要内容先后在Automatica, IEEE Transactions on Automatic Control, IEEE Transactions on Industrial Electronic,以及Nature子刊Scientific Reports等顶级国际期刊，以及IEEE ICRA，CDC，ACC，以及IFAC Congress等顶级的国际会议上发表。SCI他引超过1000次，被IEEE Fellow、IFAC Fellow、长江学者和国家杰青获得者等国内外著名专家引用几十次，被Nature上论文正面引用。申请人是2014中国高被引学者。

获奖后的项目进展主要是提出了基于人工侧线系统的仿生感知技术，让仿生机器鱼能够感知周围流场环境的变化，从而估算自身与流体的相对速度，以及和同伴之间的相对位置关系。基于水下电场通信技术，进一步形成了初步的水下通信自组网方法，实现水下多机器鱼之间的信息交互。提出了基于事件驱动的环形编队控制算法，在保证编队实现的前提下进一步降级整个系统的能量和通信消耗。2014-2017持续4年中国高被引学者。

谢广明：人工智能技术发展非常快，有些进展超乎想象,但距离我们美好的生活愿景还差得远，需要我们共同努力加速人工智能的进步，一起创造美好未来！同时，人工智能的教育和人才培养非常关键，一定要从青少年抓起！