当北大教授在未名湖放入一条鱼......
散步未名湖边，你可能很少注意
倏尔远逝、往来翕忽的鱼群里
有几只特殊的小鱼
它们的速度明显慢于同伴们
掂在手中，会发现它们并非血肉之躯
而由冰凉的零件组成
这就是北京大学工学院谢广明教授
二十年研究的缩影——
一群精心“养育”的机器鱼
“未名湖是个海洋”
谢广明团队在这里定期遛鱼、测试性能
使这群机器鱼不仅可以像真鱼一样
在水下游动、感知环境、相互交流
还游出未名湖，游向了真正的大海——
机器鱼曾经前往北极、南极两度参加科考
今天，和小北一起了解
机器鱼的制作、性能、广泛用途
见识智能仿生的魅力
01
能“上天”却未必能“下海”
为什么我们需要水下机器人？
为了捕捞。一方面是可以满足人们对海鲜的需求，另一方面，军事演习中不慎掉进海里的危险品或是各种飞机残骸等，都必须要捞出。但人类在水下作业的难度极大，这时候就需要水下机器人出场了。
这也是谢广明研究的初心。
为什么要做得像鱼一样？
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，是鱼最适应水环境。生物学家研究指出，鱼至少在4亿年前就出现了。经过不断的淘汰，到现在我们人类命名的鱼也超过了3万多种，而且还不断有新的物种被发现。
就像人类想要“上天”，从鸟开始学起，最后造出飞机。当我们想要“下海”，也会向海底的“原住民们”请教，它们的游动效率比螺旋桨推动高许多，并且有很好的机动性，能够灵活地在障碍物中穿梭自如。当然，也更容易混进鱼群中，免遭“侧目”。
经过亿万年的进化，这些特性使得它们非常适应水下的恶劣环境。
“下海”为什么比“登天”还难？
为了捕捞。一方面是可以满足人们对海鲜的需求，另一方面，军事演习中不慎掉进海里的危险品或是各种飞机残骸等，都必须要捞出。但人类在水下作业的难度极大，这时候就需要水下机器人出场了。
这也是谢广明研究的初心。
为了捕捞。一方面是可以满足人们对海鲜的需求，另一方面，军事演习中不慎掉进海里的危险品或是各种飞机残骸等，都必须要捞出。但人类在水下作业的难度极大，这时候就需要水下机器人出场了。
这也是谢广明研究的初心。
地球上最深的海沟是马里亚纳海沟，海深约1万米，能够抵达的人类可能最多只有两位数，更别说机器人了。
对比之下，飞机可以载我们飞向万米高空，宇航员可以在空间站生活半年之久，甚至38万公里远的月球人类也征服了。可见与人类习惯的大气环境相比，水下环境制约更多。
北京大学的机器鱼样机
02
去吧！像鱼一样地活着
一条机器鱼是如何诞生的？
制作一条机器鱼需要三步：找到模仿对象——设计构造——反复应用调试。
谢广明和他的团队发现了一种叫箱鲀的鱼，它生活在珊瑚礁里，有相当独特的外形优势——内凹型脸颊和发达的鳍肢，可以既稳定又灵活地游动。
于是，他们开始围绕箱鲀，从造型到内部结构，包括硬件和电路，都一一设计好。最终，3D打印机吐出了内凹的外壳，再加以精心计算过后的组装，一条电子箱鲀就能在水里游动了。
要保证机器鱼游起来像鱼，而不只是外壳像鱼，离不开反复的测试。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。谢广明笑言：“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，去未名湖遛鱼成为了实验室的一个保留节目。
有一首歌叫作《未名湖是个海洋》，可能是一些北大人创作的一个校园歌曲，我们其实也希望我们的鱼能够游到真正的海洋。很快，我们的愿望就实现了。
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。当然了，有点小遗憾。这鱼虽然是游了，不是我亲自带着去的。因为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。
双尾鳍机器鱼首次在南极测量水质
仿箱鲀机器鱼首航北极
怎么拥有真鱼一样的感知？
海底总是暗淡的，甚至可能是浑浊的，在这种情况下，如何解决机器鱼的视线问题？生物学研究表明，鱼有一类特殊的感知器官，叫做侧线系统，分布在体侧和面部。当鱼逆流而上时，它可以借助这套系统感知水流的细微变化。
金鱼侧线系统
谢广明在机器鱼身体上安装了原理类似的压强传感器，于是当机器鱼在水里游动时，就能根据水流评估周围是否有别的同伴，或者有什么障碍。
机器鱼可以social吗？
既然机器鱼可以感知到其他东西的存在，那么可不可以交流呢？
谢广明又请来了一种鱼——弱电鱼。弱电鱼可以通过调整身体，形成一个交变的电场，被另外一条鱼感知到，这就算是“打招呼”了。
谢广明针对这个现象建立了专门的理论模型，并设计好电路，这样，两条机器鱼简单的水下沟通就实现了。
鱼多好办事
当机器鱼之间可以相互感知和交流后，机器鱼集群的形成也成为了可能。而一旦集群形成，有很多人类过去难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队，如何找到失落的飞机？即使再先进的仪器，也抵不过大海的力量。如果能够将成百上千的机器鱼群投入使用，找到的希望将大大增加。
03
从自然学来的，反哺给自然
智能仿生：当自然的精妙遇见人类的智慧
物竞天择，适者生存。经过漫长进化的大浪淘沙，生存下来的生物都能够很好地适应特定的环境。人类通过向大自然学习、借鉴生物的特点，能够解决很多工程问题。
北京大学智能仿生设计实验室于2018年5月4日北京大学120周岁校庆之际成立。实验室由工学院谢广明、孙智利、崔悦和李咏梅等教授共同发起创建。
以自然为师，向大自然学习。立足于智能仿生装备与系统的设计、研发与实际应用，实验室对自然界生物个体机理和机制进行探究，开展生物个体功能的仿生创新，模仿生物的运动、感知、定位、通信等能力，并高度融合人工智能、机器人与创新设计。特别地，实验室还对自然界广泛存在的集群行为进行探究，模拟自组织的群体协作能力并应用到大规模的人工群体中去。
部分实验室人员合影
在实验室创立之前，工学院的相关老师在机器人研究方面已经有了长期的积累，陆续成功研制了机器海豚、机器鲤鱼、机器海龟、水陆两栖机器人等。实验室的成果，还成功地进行了产业化，世界上首条水下摄影机器鱼获得了2018CES（国际消费类电子产品展览会）创新奖。
世界上首条水下摄影机器鱼
真鱼认可机器鱼吗？
正如AI都逃不开图灵测试，作为机器人的一员，机器鱼也在机缘巧合之下通过了“真鱼测试”。
大家都喜欢遛狗、遛猫，而谢广明的团队“遛鱼”。为了测试性能，谢广明把他的小鱼们放进了北大未名湖里。令人没想到的是，其他真鱼会跟在机器鱼身后摇摆游动。
当时的谢广明还在开玩笑：“我们以后捕鱼就方便了，想吃什么，就派一个机器鱼下去，还不会牵连到其他鱼。”
机器鱼如何帮助真鱼生存？
真鱼对机器鱼的认可，有更高价值的应用——引导真鱼洄游。谢广明的团队正在和水利工程的团队开展合作，主要内容就是利用机器鱼，将真鱼引导到大坝的洄游鱼道上，以确保物种的迭代。
这样一来，人类在获取水电的同时，又能保存珍稀的鱼类资源。
当然，其中是否会存在鱼的“伦理”问题？这也未尝不可探讨。
未来还在继续
海洋仍以其温柔的、宽厚的怀抱
滋养着、教育着人类
我们借助机器鱼的身体
“看”到海底，甚至畅游海底
美丽的珊瑚礁、黢黑的海沟
未知的生物
……
有太多的秘密，等待着我们
这也是谢广明的“机器鱼”梦想
谢广明
北京大学工学院教授，博士生导师
毕业于清华大学，现为北京大学工学院教授，博士生导师。主要研究多智能体系统、多机器人协作、群体智能等领域。主持包括重点项目在内的多项国家自然科学基金项目。获得国家自然科学奖二等奖、教育部自然科学奖一等奖等多项奖励。曾担任中国自动化学会机器人竞赛工作委员会副主任，是国际水中机器人大赛的创立者，是期刊Mathematical Problems In Engineering主编，包括Scientific Reports等多个期刊编委。
