摘要：本文首先介绍各类型鱼类的游动特点及推动机理，对仿生机器鱼进行了分类，并对国内外仿生机器鱼的研究现状进行了综述．最后总结了仿生机器鱼研究的关键难点技术和未来发展趋势。
关键词：仿生，水下机器人，综述
一、引言
伴随着人类文明的发展，可开采和利用的陆地资源正日益减少和枯竭。海洋面积占地球面积的71％，海洋中蕴藏着丰富的生物资源和矿产资源，人类开发
和利用海洋的脚步随着科技的发展逐渐加快。
水下机器人作为一个水下高技术仪器设备的集成体，在军事、民用、科研等领域体现出广阔的应用前景和巨大的潜在价值。鱼类作为海洋生物中数量最多的脊椎动物，经历了亿万年的自然选择过程，进化出了非凡的水中生存能力，既可以在持久游速下保持低能耗、高效率，也可以在拉力游速或爆发游速下实现高机动性。因此仿生机器鱼的研究成为水下机器人研究的热点。
二、鱼类游动推进机理
对鱼类推进模式的研究是仿生机器鱼研制的基础，国内外学者很早就致力于这方面的研究工作。P.Webb在1984年根据鱼类游动推进所使用的身体部位的不同，对鱼类的游动推进模式提出了详细的分类方案，即鱼类的推进模式可以分为：1)身体、尾鳍推进模式(BCF Model)，采用这种模式游动的鱼类是利用躯干部和
尾部肌肉(大侧肌)的交替伸缩，使身体左右扭动屈曲前进即通过身体的波动和尾鳍的摆动产生推进力。
2)中间鳍、对鳍推进模式(MPF Model)，这种方式主要依靠胸鳍或腹鳍的摆动
产生推进力。一般鱼类主要以MPF模式为辅助游动模式，如弓鳍鱼科模式(Amiiform)的鱼类、电鳗科模式(Gynmotiform)的鱼类；但对于而鳐科模式
(Rajiform) 、刺鲀科模式(Diodontiform)的鱼类MPF则为主要的推进方式。
两种仿生推进模式(BCF方式和MPF方式)分别具有不同的特点：
1)BCF方式的游动效率、速度和快速起动性能较高，但机动性能一般，适合长
距离、高速度的游动，或者需瞬时加速和转向的场合；
2)MPF方式的推进效率和游速较低，但具有良好的灵活机动性和精确定位能力，
可应用于在空间狭窄和结构复杂的场所实施各种水下复杂作业。
cd激光头三、仿生机器鱼的分类
目前仿生机器鱼的实现方式主要有宏观行为仿生和结构及微观行为仿生两
种层面，其中结构及微观行为的仿生机器鱼可以仿造出和鱼相近的游动效率和游动隐蔽性，具有比较高的仿生效果。现按照仿生机器鱼结构大小分类如下：卫生裤头
1)大中型仿生机器鱼
主要应用于海洋石油开采，海下勘查、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和维护、以及大坝检查等领域，体积较大。
按其能源供给方式分为有揽和无揽两种；按照其游动推动机理可以分为仿BCF和仿MPF两种；按照致动器的类型可以分为传统电动、液压、气压驱动方
式以及较新的离子电动聚合物致动器、形状记忆合金致动器、气动人工肌肉致动器、动物活体肌肉致动器等类型。
2)微小型仿生机器鱼
微小型仿生机器鱼是指结构尺寸微小、器件精密、可进行微细操作的机器鱼，能进入狭窄空间，携有一种或多种传感器及操作器，在操作人员的遥控操作或计算机的自动控制下，能够进行一系列作业的机电一体化系统，主要用于医学和一些工业领域。
微小型仿生机器鱼按照其驱动方式主要分为：
压电晶体式（PZT）微小型机器鱼、永磁体式（NdFeB）微小型机器鱼、离
子交换聚合体膜式（ICPF或IPMC）微小型机器鱼、介电弹性体式（ANTLA）微
小型机器鱼、形状记忆合金式（SMA）微小型机器鱼和超磁致伸缩材料式（GMM）微小型机器鱼等。
四、国外仿生机器鱼的研究现状
(一)概况
在仿生机器鱼的研究上，国外学者很早就致力于这方面的工作，也取得了比较显著的成果。其研究过
程主要分为两个阶段：20世纪90年代以前主要集中在鱼类游动机理的基础理论研究，90年代以后开始研制仿生机器鱼整机系统。
目前国外很多研究机构从事仿生机器鱼的研制工作，其中美国有麻省理工学院MIT(Rototuna，RoboPike，VCUUV，拍动翼研究)、佛罗里达大学(应用SMA技术研制微型电子机器鱼)、德州农工大学(仿生驱动材料研究)、宾夕法尼亚大学(鱼体肌肉消耗动力的研究)、波士顿大学(机器鱼推进建模)、加州理工学院(机器鱼
推进的传感和控制)、加利福尼亚大学(PZT驱动的Boxfish)、新墨西哥大学(使用IEM驱动的鳗状机器鱼)、伊利诺斯大学(电子鱼研究项目)、加州大学伯克利分校(CALibot)、SRC研究所(Dongle)、A&M公司(记忆合金无噪音机器鱼)、BIRG研究
智能商用豆浆机组(BoxyBot)等，日本有东海大学(人工胸鳍黑鲈)、名古屋大学(压电陶瓷驱动的微型水下仿胸鳍模式浮游机器人和形状记忆台金驱动身体波动式微型水下推进器)、东芝公司(弹性振动鳍式仿生机器鱼)、三菱重工HI(Coelacanthfish)、运输省船舶
技术研究所NMRl(PF-200，PF-300，PF-550，PF-600，PF-700，UPF-2001)、东京工业大学(海豚型仿生潜水器)，英国有Heriot—Watt大学(FLAPS项目)、Essex大学(G系列和MTl机器鱼)，比利时有Vrije大学(机器鱼智能体研究)，土耳其有伊斯坦布尔技术大学(Robotic Dolphin)、韩国有浦项科技大学
(Potuna)，新加坡有南洋理工大学(背鳍波动式机器鱼)。
（二）国外几款典型仿生机器鱼
1)1994年，在美国MIT，经过长期观察分析金鱼的游动机理，世界上第一条
图1 图2
机器鱼Robotuna(图1)诞生，其研究的目的是研制一种能克服目前水下潜器连续工作时间短、高效、快速的水下推进系统，能像真鱼一样游动，该机器鱼长约1.25m，宽约0.21m，高0.3m，速度可达2m/s。
2)1998年，DRAPER实验室推出了VCUUV(Vorticity Control Unmanned
Underwater Vehicle)，如图2。VCUUV是仿金鱼设计的，长约2.4米，重300磅，其最大摆动频率1.5Hz，在1Hz时具有最大游动速度1.25米/秒。其目的在于开发一种利用涡流控制推进的自主水下机器人，并通过自由的游动显示良好的减阻特性、优良的机动性、深度保持能力和更高的加、减速能力。
3)图3为日本运输省船舶技术研究所(NMRI)研制的一系列机器鱼中的UPF-2001，
旨在研究机器鱼的高性能和多用途。此机器鱼长0.97米，2关节，最大摆动
图3 图4
频率12Hz，最大游动速度0.97米/秒。UPF-2001已经具备三维运动功能，其依靠胸鳍实现上浮下潜运动，依靠方向舵实现转弯运动。
4)从1999年起，日本三菱公司一直在从事机器鱼方面的研究，如用于观赏的
“古腔棘鱼”，图4为2003年日本三菱公司推出的用于观赏的金鲤鱼外
形机器鱼，这种机器鱼长1米、重17千克，游速达0.4米/秒，可达到以假乱真的地步。
5)美国东北大学(Northeastern University)海洋科学中心1999年用形状记忆合金
和链杆结构开发了波动推进的机器鳗鱼RoboEel (图5)，通过身体侧向的波动，机器鳗鱼不仅驱动自身穿越水柱，而且能控制其浮游深度。
6)新加坡南洋理工大学(NTU)进行了MPF模式仿生机器鱼的研制，其2005年研
图5 图6
制的Stingray Robot如图6，其是分别仿生鳐科类黄貂鱼两侧的对鳍的波动运动，Stingray Robot波形产生采用的是FUTUBA伺服电机驱动的曲柄机构阵列，通过控制每个曲柄转动的角度来达到波形上各点相位的控制，长鳍的每块膜采用可以相互滑动的两块有机玻璃板构成如图a。
7)日本大阪大学研制的鳐鱼（Rajiform）如图7，采用17根鳍条（0.577m*0.075m），
图7 图8
具有六个自由度，速度达0.4m/s。
8)日本的郭书祥等人用ICPF高分子驱动器制作了一种水中微机器人（如图8）。
这种驱动器的主要特点是，它是一种高聚合体的凝胶体执行器，仅在水中或者潮湿的环境中工作。该机器人可实现向前、左转或右转的功能，具有一对驱动翼，由脉冲电压驱动而产生推进力。
五、国内仿生机器鱼的研究现状
（一）概况
在鱼类推进机理和仿生机器鱼研制方面，国内起步较晚。但随着国外仿生机器鱼研究的兴起，以及我国高速发展的经济对进一步开发近海直至远洋的迫切需
求，越来越多的科研机构开始从事这方面的研究工作。目前，国内主要有北京航空航天大学、中国科学院自动化所、中科院研究生院、中国科学技术大学、哈尔滨工业大学、沈阳自动化所、上海交通大学、哈尔滨工程大学等机构，开展了仿生机器鱼的研制工作。
（二）国内几款典型仿生机器鱼
1)我国第一条可实际应用的SPC-II仿生机器鱼(图113)是由北京航空航天大学机
器人研究所研制成功的，鱼身长1.23m．是大下潜深度为5m。SPC-II仿生机器鱼可以超磁仿生鱼起动机理研究自由灵活地在水中游动，具有较好的稳定性。
2)北京航空航天大学机器人研究所研制的扑翼式推进机器鱼，在国内，首次将
扑翼式推进机器鱼引入到仿生机器鱼研究领域，拓展了仿生鱼的研究范围。
已研究成功扑翼式仿生鱼三代，其中第一代Robo-MantaⅠ，长0.6m，
图9 图10
翼展0.7m，排水量3.8Kg，游动速度最大可达0.7m/s；第二代Robo-Manta Ⅱ（如图10），长0.7m，翼展0.8m，排水量7.5Kg，游动速度最大可达1.1m/s。
第三代机器鱼将重点放在探索一体化全柔性机体以及柔性推进机构的设计、应用。
3)中国国防科技大学在研究MPF模式仿生机器鱼方面取得了一系列成果，研制自制一个牙签弓
出的“尼罗河魔鬼Amiiform”系列仿生机器鱼如图11，用伺服电机驱动，采用四（或双）波动鳍协同波动前进，正逆向推进转向速度可达1.5m/s。
4)哈尔滨工程大学研制出的仿生-1号机器鱼，以蓝鳍金鱼为模仿对象，配有
图11 图12
月牙形尾鳍和一对联动胸鳍，均采用NACA0018翼型，长2.4m，最大直径
0.62m，排水量329kg，内置三台伺服电机控制尾柄、尾鳍胸鳍。郭书祥团队
承担的科技部“十一五”“863”项目，研制出的微型仿生机器鱼在“十一五”国家重大科技成就展展出，如图12。
六、仿生机器鱼研究的难点及展望
综上所述，目前对仿生机器鱼的研究虽然取得了一定的成果，但离实现鱼类的真正仿生还有一定的距
离，目前研制的仿生机器鱼与真正鱼类在速度、效率、机动性、隐蔽性方面都存在很大差距，主要体现在：
1)鱼类的外表覆盖着致密的鱼鳞并分泌粘液；具有非常高的减阻效应，而作为
动力源的肌肉能够自行恢复机能并持续调节养料的需求。如何开发新型的仿生材料甚至是生物材料，在机器鱼的外皮材料和动力机构上进行仿生设计，是当前的研究难点。
2)鱼类在海洋中通常以居的方式生活，近期研究发现鱼类的这种游特征不
仅是一种生物行为特征，而且有其内在的力学机理，通过合理的运用尾迹区的反卡门涡街，能够有效地节约体能。如何分析和建立游模式的运动学和动力学模型，是提高多机器鱼游动推进效率的有效方法。
3)真正鱼类身体各个部分都相当于安装了各种传感器，可以感知四周流场的强
弱机器鱼在水下游动时受到各种洋流、波动等自然力的影响，机器鱼在完全未知的水下环境中，如何快速、准确的识别环境和目标，进行实时定位和导航，是制约机器鱼快速机动性能的关键，也是下一步研究的目标。
4)真正鱼类的外形是流线型，其与周围流体是不产生分离的，这样可以产生很
车辆定位系统好的尾迹特性。防雷开关
5)真正鱼类具有胸鳍、腹鳍、背鳍、尾鳍等多个鳍，这些鳍不但能产生推进力，
而且还可以提高鱼类的稳定性和机动性。
随着在机器鱼诸多方面的研究工作的深入开展，机器鱼作为仿生学、机器人学和控制科学的交叉研究内容，必将广泛应用于军事、航运以及娱乐等领域。以上这些难点需要机器鱼研究人员继续深入探索研究，这样才能逐渐缩小仿生鱼与活鱼之间的差距。
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