讓機器魚混進魚群內部！哈佛科學家研發魚群機器人

智東西（公眾號：zhidxcom）

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智東西1月18日訊息，近日，哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）和威斯生物工程研究所（Wyss Institute for biological Inspired Engineering）的研究人員研發出一組魚形水下機器人，它可以像魚一樣平靜地聚在一起，也可以自動導航並且尋找彼此，協作完成任務。這也是研究人員首次在水下機器人領域，展示了具有內隱協調（implicit coordination）的複雜三維集體行為。

魚類成群結隊的行為，可以幫助它們尋找食物、進行遷徙或躲避捕食者。沒有任何一條魚在協調他們的佇列，也沒有魚“交頭接耳”討論它們下一步該做什麼。相反，這樣的集體行為來源於所謂的

內隱協調——魚類可以根據自己看到的同類行為作出決定

。這種分散的、但具有自主性的自我組織，長期以來一直吸引著科學家探索。

魚形水下機器人Blueswarm

空中的無人機在各個領域證明了自己的價值，水下無人機也可以在生態、航運和其他水下領域的場景中體現其價值。

在過去的幾年中，人們已經對一些有趣的水下機器人有些許瞭解，其中最常見的型別是一種“魚雷”式機器人。這種機器人在開放水域巡航時效率很高，但不適用於在珊瑚礁或碼頭的角落和縫隙中巡航。

為了在複雜細微的水下環境巡航，威斯研究所透過對大自然的探索，製造出了一款仿生機器人。這款仿生機器人不僅模仿了魚的形狀，還模仿了魚群的活動。

作者Florian Berlinger和Radhika Nagpal將他們的研究成果寫成論文，近期，論文被髮表在了《Science Robotics》上。

一、成為魚，融入魚群

Nagpal在潛水時看到魚成群結隊地遊走，便開始追問：“我們是不是能創造出一個機器人群體，使它們在運動時能具有像魚群一樣的群體一致性？”

Blueswarm的組成結構

因此，這次科學家們研發出了一個名叫Blueswarm的小型機器人。透過3D列印，這個機器人被製造成了魚的形狀，它以螺旋槳為鰭，以照相機為眼。

Berlinger說：“機器人通常被部署在人類無法接近，或是危險的地區。在這些地方，人類甚至無法對機器人進行干預。在這種情況下，一個能夠自給自足，且具有高度自主性的群體的優勢就非常明顯。透過對內隱規則和3D視覺的使用，我們能夠在沒有GPS和WiFi支援的水下環境，建立一個具有高度自主性和靈活性的水下系統。”

雖然在人類的眼中，這些機器人與真正的魚還有很大差別。但對於一條普通的魚來說，這樣的機器人遠沒有一根六英尺長的金屬管子那麼嚇人，也不會因為搭載的螺旋槳發出巨大聲響而嚇走魚群。

二、模仿魚群活動細節，符合水下工作需求

在三維空間中工作，對於水下機器人來說也是個不小的挑戰。因此，研究人員在Blueswarm身上配備了發光二極體，使其能像海底生物向同類發訊號一樣發光，並使用自定義演算法來確定各個機器人的的距離、方向和航向。LED光源散發光的強弱和變化，取決於每個機器人所在的位置和周邊環境。

Blueswarm基於相機和機器人最前端的光敏感測器，對其游泳動作和發光情況進行調整，自動將多個個體組織成叢集在水中游動。它們可以構建出一個“銑削（注：將毛坯固定，用高速旋轉的銑刀在毛坯上走刀，切出需要的形狀和特徵）”模式，讓新加入的機器人不管在任何角度插進隊伍都能及時適應“魚群”的運動狀態。

多機器人構建出“銑削”模式

除了能夠形成叢集運動，這些機器人還能一起完成一些簡單的任務，比如對特定物品進行搜尋。如果研究人員要求一個由Blueswarm機器人組成的小組在水箱中找到一個紅色的LED燈，它們可以各自獨立對這個燈進行搜尋，而當其中一個機器人找到指定的燈時，它會改變自己身上LED燈閃爍的狀態來提醒其它機器人。

Nagpal說：“Blueswarm的研究成果代表了水下自組織集體行為研究的一個重要里程碑。”這項技術的用途在於，首先，這些機器人可以在不驚動海洋生物的前提下，監測它們的健康狀況。其次，機器人可以使用攝像機制成的眼睛探測到特定物體。同時，它們還可以在碼頭和船隻的下方，以更有效的方式檢查船體。也許，它們還能在搜救中發揮作用。

透過這項研究，人們不僅可以構建更先進的機器人集體，還對自然中動物叢集式活動有了更深刻的瞭解。

“魚類在群體遊動中遵循著簡單的行為模式，這種模式很美麗，但卻難以被發現。” Berlinger說，“其他研究人員已經聯絡到我，想用我們的Blueswarm作為魚類的替代品，幫助他們進行魚類游泳和與魚群相關的生物學研究。他們的實驗室歡迎Blueswarm加入，這讓我非常高興。”

Blueswarm融入魚群

結語：仿生機器人——從模仿自然到融入自然

哈佛大學研究人員這次研發的水下機器人不僅在外形上對魚進行了模仿，甚至把魚的叢集行為也模仿得惟妙惟肖。以往，仿生機器人追求的是與生物個體的相似，而水下機器人追求的僅是個體能在水下靈活行進和工作，很少考慮到與水下生物的相容情況。

如今，Blueswarm為水下機器人和環境及水中生物的相容方面開了一個先河。仿生機器人已經不止模仿單個自然生物外形，它們正在逐步融入進自然環境，成為大自然的一部分。