當北大教授在未名湖放入一條魚......

原創 北京大學 北京大學 收錄於合集 #愛科普的小北 7個

散步未名湖邊，你可能很少注意

倏爾遠逝、往來翕忽的魚群裡

有幾隻特殊的小魚

它們的速度明顯慢於同伴們

掂在手中，會發現它們並非血肉之軀

而由冰涼的零件組成

這就是北京大學工學院謝廣明教授

二十年研究的縮影——

一群精心“養育”的機器魚

“未名湖是個海洋”

謝廣明團隊在這裡定期遛魚、測試效能

使這群機器魚不僅可以像真魚一樣

在水下游動、感知環境、相互交流

還游出未名湖，遊向了真正的大海——

機器魚曾經前往北極、南極兩度參加科考

今天，和小北一起了解

機器魚的製作、效能、廣泛用途

見識智慧仿生的魅力

點選觀看謝廣明教授講述精巧的機器魚

01

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能“上天”卻未必能“下海”

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為什麼我們需要水下機器人？

為了捕撈。一方面是可以滿足人們對海鮮的需求，另一方面，軍事演習中不慎掉進海里的危險品或是各種飛機殘骸等，都必須要撈出。但人類在水下作業的難度極大，這時候就需要水下機器人出場了。

這也是謝廣明研究的初心。

為什麼要做得像魚一樣？

為了捕撈。一方面是可以滿足人們對海鮮的需求，另一方面，軍事演習中不慎掉進海里的危險品或是各種飛機殘骸等，都必須要撈出。但人類在水下作業的難度極大，這時候就需要水下機器人出場了。

這也是謝廣明研究的初心。

為了捕撈。一方面是可以滿足人們對海鮮的需求，另一方面，軍事演習中不慎掉進海里的危險品或是各種飛機殘骸等，都必須要撈出。但人類在水下作業的難度極大，這時候就需要水下機器人出場了。

這也是謝廣明研究的初心。

地球是個水球，70%被水覆蓋。這個水世界的主宰是誰呢？其實是魚類，是魚最適應水環境。生物學家研究指出，魚至少在4億年前就出現了。經過不斷的淘汰，到現在我們人類命名的魚也超過了3萬多種，而且還不斷有新的物種被發現。

就像人類想要“上天”，從鳥開始學起，最後造出飛機。當我們想要“下海”，也會向海底的“原住民們”請教，它們的遊動效率比螺旋槳推動高許多，並且有很好的機動性，能夠靈活地在障礙物中穿梭自如。當然，也更容易混進魚群中，免遭“側目”。

經過億萬年的進化，這些特性使得它們非常適應水下的惡劣環境。

“下海”為什麼比“登天”還難？

為了捕撈。一方面是可以滿足人們對海鮮的需求，另一方面，軍事演習中不慎掉進海里的危險品或是各種飛機殘骸等，都必須要撈出。但人類在水下作業的難度極大，這時候就需要水下機器人出場了。

這也是謝廣明研究的初心。

為了捕撈。一方面是可以滿足人們對海鮮的需求，另一方面，軍事演習中不慎掉進海里的危險品或是各種飛機殘骸等，都必須要撈出。但人類在水下作業的難度極大，這時候就需要水下機器人出場了。

這也是謝廣明研究的初心。

地球上最深的海溝是馬裡亞納海溝，海深約1萬米，能夠抵達的人類可能最多隻有兩位數，更別說機器人了。

對比之下，飛機可以載我們飛向萬米高空，宇航員可以在空間站生活半年之久，甚至38萬公里遠的月球人類也征服了。可見與人類習慣的大氣環境相比，水下環境制約更多。

北京大學的機器魚樣機

02

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去吧！像魚一樣地活著

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一條機器魚是如何誕生的？

為了捕撈。一方面是可以滿足人們對海鮮的需求，另一方面，軍事演習中不慎掉進海里的危險品或是各種飛機殘骸等，都必須要撈出。但人類在水下作業的難度極大，這時候就需要水下機器人出場了。

這也是謝廣明研究的初心。

為了捕撈。一方面是可以滿足人們對海鮮的需求，另一方面，軍事演習中不慎掉進海里的危險品或是各種飛機殘骸等，都必須要撈出。但人類在水下作業的難度極大，這時候就需要水下機器人出場了。

這也是謝廣明研究的初心。

製作一條機器魚需要三步：找到模仿物件——設計構造——反覆應用除錯。

謝廣明和他的團隊發現了一種叫箱魨的魚，它生活在珊瑚礁裡，有相當獨特的外形優勢——內凹型臉頰和發達的鰭肢，可以既穩定又靈活地遊動。

於是，他們開始圍繞箱魨，從造型到內部結構，包括硬體和電路，都一一設計好。最終，3D印表機吐出了內凹的外殼，再加以精心計算過後的組裝，一條電子箱魨就能在水裡遊動了。

要保證機器魚遊起來像魚，而不只是外殼像魚，離不開反覆的測試。實驗室的小水池，頂多兩三米大，根本遊不開，一些效能測不了。謝廣明笑言：“剛好我們比較幸運，北大有個未名湖，我們就把這個魚扔到未名湖裡遊一遊。”現在，去未名湖遛魚成為了實驗室的一個保留節目。

有一首歌叫作《未名湖是個海洋》，可能是一些北大人創作的一個校園歌曲，我們其實也希望我們的魚能夠游到真正的海洋。很快，我們的願望就實現了。

2012年，我們這個魚游到了北極。又過了兩年，我們的魚成功實現了南極的首航。當然了，有點小遺憾。這魚雖然是遊了，不是我親自帶著去的。因為這是國家科考的行動，是委託科考隊員把魚帶過去。所以說是我的機器魚代我去征服了世界的兩極。

雙尾鰭機器魚首次在南極測量水質

仿箱魨機器魚首航北極

怎麼擁有真魚一樣的感知？

為了捕撈。一方面是可以滿足人們對海鮮的需求，另一方面，軍事演習中不慎掉進海里的危險品或是各種飛機殘骸等，都必須要撈出。但人類在水下作業的難度極大，這時候就需要水下機器人出場了。

這也是謝廣明研究的初心。

為了捕撈。一方面是可以滿足人們對海鮮的需求，另一方面，軍事演習中不慎掉進海里的危險品或是各種飛機殘骸等，都必須要撈出。但人類在水下作業的難度極大，這時候就需要水下機器人出場了。

這也是謝廣明研究的初心。

海底總是暗淡的，甚至可能是渾濁的，在這種情況下，如何解決機器魚的視線問題？生物學研究表明，魚有一類特殊的感知器官，叫做側線系統，分佈在體側和麵部。當魚逆流而上時，它可以藉助這套系統感知水流的細微變化。

金魚側線系統

謝廣明在機器魚身體上安裝了原理類似的壓強感測器，於是當機器魚在水裡遊動時，就能根據水流評估周圍是否有別的同伴，或者有什麼障礙。

機器魚可以social嗎？

為了捕撈。一方面是可以滿足人們對海鮮的需求，另一方面，軍事演習中不慎掉進海里的危險品或是各種飛機殘骸等，都必須要撈出。但人類在水下作業的難度極大，這時候就需要水下機器人出場了。

這也是謝廣明研究的初心。

為了捕撈。一方面是可以滿足人們對海鮮的需求，另一方面，軍事演習中不慎掉進海里的危險品或是各種飛機殘骸等，都必須要撈出。但人類在水下作業的難度極大，這時候就需要水下機器人出場了。

這也是謝廣明研究的初心。

既然機器魚可以感知到其他東西的存在，那麼可不可以交流呢？

謝廣明又請來了一種魚——弱電魚。弱電魚可以透過調整身體，形成一個交變的電場，被另外一條魚感知到，這就算是“打招呼”了。

謝廣明針對這個現象建立了專門的理論模型，並設計好電路，這樣，兩條機器魚簡單的水下溝通就實現了。

魚多好辦事

為了捕撈。一方面是可以滿足人們對海鮮的需求，另一方面，軍事演習中不慎掉進海里的危險品或是各種飛機殘骸等，都必須要撈出。但人類在水下作業的難度極大，這時候就需要水下機器人出場了。

這也是謝廣明研究的初心。

為了捕撈。一方面是可以滿足人們對海鮮的需求，另一方面，軍事演習中不慎掉進海里的危險品或是各種飛機殘骸等，都必須要撈出。但人類在水下作業的難度極大，這時候就需要水下機器人出場了。

這也是謝廣明研究的初心。

當機器魚之間可以相互感知和交流後，機器魚叢集的形成也成為了可能。而一旦叢集形成，有很多人類過去難以做到的事也可以提上日程了，尤其是水下搜救。

茫茫大海中，依靠一支支人力搜查隊，如何找到失落的飛機？即使再先進的儀器，也抵不過大海的力量。如果能夠將成百上千的機器魚群投入使用，找到的希望將大大增加。

03

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從自然學來的，反哺給自然

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智慧仿生：當自然的精妙遇見人類的智慧

為了捕撈。一方面是可以滿足人們對海鮮的需求，另一方面，軍事演習中不慎掉進海里的危險品或是各種飛機殘骸等，都必須要撈出。但人類在水下作業的難度極大，這時候就需要水下機器人出場了。

這也是謝廣明研究的初心。

為了捕撈。一方面是可以滿足人們對海鮮的需求，另一方面，軍事演習中不慎掉進海里的危險品或是各種飛機殘骸等，都必須要撈出。但人類在水下作業的難度極大，這時候就需要水下機器人出場了。

這也是謝廣明研究的初心。

物競天擇，適者生存。經過漫長進化的大浪淘沙，生存下來的生物都能夠很好地適應特定的環境。人類透過向大自然學習、借鑑生物的特點，能夠解決很多工程問題。

北京大學智慧仿生設計實驗室於2018年5月4日北京大學120週歲校慶之際成立。實驗室由工學院謝廣明、孫智利、崔悅和李詠梅等教授共同發起建立。

以自然為師，向大自然學習。立足於智慧仿生裝備與系統的設計、研發與實際應用，實驗室對自然界生物個體機理和機制進行探究，開展生物個體功能的仿生創新，模仿生物的運動、感知、定位、通訊等能力，並高度融合人工智慧、機器人與創新設計。特別地，實驗室還對自然界廣泛存在的叢集行為進行探究，模擬自組織的群體協作能力並應用到大規模的人工群體中去。

部分實驗室人員合影

在實驗室創立之前，工學院的相關老師在機器人研究方面已經有了長期的積累，陸續成功研製了機器海豚、機器鯉魚、機器海龜、水陸兩棲機器人等。實驗室的成果，還成功地進行了產業化，世界上首條水下攝影機器魚獲得了2018CES（國際消費類電子產品展覽會）創新獎。

世界上首條水下攝影機器魚

真魚認可機器魚嗎？

為了捕撈。一方面是可以滿足人們對海鮮的需求，另一方面，軍事演習中不慎掉進海里的危險品或是各種飛機殘骸等，都必須要撈出。但人類在水下作業的難度極大，這時候就需要水下機器人出場了。

這也是謝廣明研究的初心。

為了捕撈。一方面是可以滿足人們對海鮮的需求，另一方面，軍事演習中不慎掉進海里的危險品或是各種飛機殘骸等，都必須要撈出。但人類在水下作業的難度極大，這時候就需要水下機器人出場了。

這也是謝廣明研究的初心。

正如AI都逃不開圖靈測試，作為機器人的一員，機器魚也在機緣巧合之下通過了“真魚測試”。

大家都喜歡遛狗、遛貓，而謝廣明的團隊“遛魚”。為了測試效能，謝廣明把他的小魚們放進了北大未名湖裡。令人沒想到的是，其他真魚會跟在機器魚身後搖擺遊動。

當時的謝廣明還在開玩笑：“我們以後捕魚就方便了，想吃什麼，就派一個機器魚下去，還不會牽連到其他魚。”

機器魚如何幫助真魚生存？

為了捕撈。一方面是可以滿足人們對海鮮的需求，另一方面，軍事演習中不慎掉進海里的危險品或是各種飛機殘骸等，都必須要撈出。但人類在水下作業的難度極大，這時候就需要水下機器人出場了。

這也是謝廣明研究的初心。

為了捕撈。一方面是可以滿足人們對海鮮的需求，另一方面，軍事演習中不慎掉進海里的危險品或是各種飛機殘骸等，都必須要撈出。但人類在水下作業的難度極大，這時候就需要水下機器人出場了。

這也是謝廣明研究的初心。

真魚對機器魚的認可，有更高價值的應用——引導真魚洄游。謝廣明的團隊正在和水利工程的團隊開展合作，主要內容就是利用機器魚，將真魚引導到大壩的洄游魚道上，以確保物種的迭代。

這樣一來，人類在獲取水電的同時，又能儲存珍稀的魚類資源。

當然，其中是否會存在魚的“倫理”問題？這也未嘗不可探討。

未來還在繼續

海洋仍以其溫柔的、寬厚的懷抱

滋養著、教育著人類

我們藉助機器魚的身體

“看”到海底，甚至暢遊海底

美麗的珊瑚礁、黢黑的海溝

未知的生物

……

有太多的秘密，等待著我們

這也是謝廣明的“機器魚”夢想

謝廣明

北京大學工學院教授，博士生導師

畢業於清華大學，現為北京大學工學院教授，博士生導師。主要研究多智慧體系統、多機器人協作、群體智慧等領域。主持包括重點專案在內的多項國家自然科學基金專案。獲得國家自然科學獎二等獎、教育部自然科學獎一等獎等多項獎勵。曾擔任中國自動化學會機器人競賽工作委員會副主任，是國際水中機器人大賽的創立者，是期刊Mathematical Problems In Engineering主編，包括Scientific Reports等多個期刊編委。

原標題：《當北大教授在未名湖放入一條魚……》