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仿生黑科技,這個水母機器人有點牛

2019-08-13 科技日報
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  根據蝙蝠通過超聲波定位的原理,人們仿制出了雷達;模擬魚通過魚瞟的縮小或膨脹,在水中實現下沉或上浮,科學家制造出了潛水艇;模仿蛋殼的力學原理,建設師設計出了薄殼建筑……生活中仿生學的案例,我們早已屢見不鮮。

  自古以來,自然界就是人類各種技術思想、工程原理及重大發明的源泉。

  目前,我國水下無人機器人仍存在不少“短板”,如續航能力弱、能耗高、無法實現對固定區域的長時間定點布控。此外,依靠螺旋槳推進的機器人一般噪聲較大,易驚擾魚群暴露目標……

  作為典型的海洋浮游生物,水母通過腔體的收縮與擴張,實現了高效、靈活的噴射式推進,為科學家設計和開發噴射式推進水下仿生機器人提供了重要參考。

  最近,中國科學院自動化研究所的研究人員受水母噴射式推進方式啟發,研制了一款機動靈活的仿生機器水母系統,并構建了基于強化學習的運動控制器,解決了仿生機器水母的三維姿態控制問題,實現了三維空間的仿水母游動及姿態自主調整。相關研究成果發表于《中國科學:信息科學(英文版)》上。

  實際上,水母的噴射推進方式很早就吸引了國內外研究學者的關注。他們系統性地研究了水母的形態結構和推進機理,并采用形狀記憶合金、離子聚合物金屬復合材料和介電彈性體致動器等智能材料研制開發了多種仿生機器水母。

  “但是,此類仿生機器水母通常速度較慢,靈活性較差,絕大多數都不能靈活自主地調整三維空間的游動姿態,為后續實際應用帶來困難與挑戰。”論文通訊作者、中國科學院自動化研究所研究員喻俊志說道。

  針對這些問題,研究人員從仿生機器水母的機構設計與運動控制兩方面進行了重點攻關。

  在機構設計方面,為了模仿水母腔體收縮和擴張運動,該項研究采用多連桿機構設計了仿生機器水母。所研制的仿生機器水母高138 mm,重8.2 kg。

  喻俊志介紹,具體來講,四個多連桿機構呈中心對稱地分布在仿生機器水母中心線四周,并附粘一圈橡膠外皮以形成密閉的腔體。通過多連桿機構的運動帶動外皮收縮和擴張,實現仿水母式噴射推進。

  為增加三維機動能力,研究人員在仿生機器水母機構設計中增加了重心調節機構。利用該機構調整配重塊的位置,能夠實時調整仿生機器水母的三維姿態。

  在運動控制方面,考慮到仿生機器水母建模的復雜性、強耦合和非線性等問題,采用傳統控制方法存在一定困難。因此,研究人員提出了基于強化學習的仿生機器水母姿態控制方法,通過構建基于強化學習的仿生機器水母姿態控制器,使仿生機器水母具有自主學習并完成姿態控制的能力。通過一系列仿真及水池實驗證明了所提方法的有效性。

  我們研究提出了一種機動型仿生機器水母的機構設計與自主學習姿態控制方法,不僅實現了仿生機器水母三維空間的靈活運動,提高了仿生機器水母的機動能力,而且為高性能仿生水下航行器的研制和應用提供了重要理論基礎和關鍵技術支撐。

  喻俊志表示,仿生機器水母的研究可以為進一步揭示生物水母的噴射推進機制提供良好的試驗平臺,同時還可以通過搭載各類載荷系統,為水下探索、檢測以及信號中繼等提供更加隱蔽和穩定的載體,甚至可以在將來執行水下救援、水下軍事偵察等任務。

打印 責任編輯:侯茜

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