2023年3月13日上午，北京大学附属中学与北京大学工学院合作共建的水下仿生机器人创新实践基地启动仪式在北大附中成功举行。这一实践基地的启动在贯彻建设海洋强国的国家战略、发挥水下仿生机器人在海洋科学与技术发展中的重要性、为青少年创新人才的培养提供支持等方面具有重要意义。

据北大谢广明教授介绍，水下仿生机器人是一种新兴的技术，在海底资源开发、海底环境监测、海洋科学研究等方面有着广泛的应用前景。同时，希望通过此次实践基地的建设，能够为北大附中学生提供更多的实践机会，培养他们的创新能力和团队合作精神，为中国的海洋事业做出更多的贡献。

此次水下仿生机器人创新实践基地的启动意义深远，将进一步促进北大附中与北京大学工学院在教学和科研方面的合作。今后，北大附中将依托此基地开展丰富的科创课程和活动，深化我校科创课程体系建设，为培养更多青少年人才搭建交流、合作与创新的平台，推动中国的水下无人系统科技创新发展。

谢广明仿生机器人研究缘起

早在约两千年前，鱼儿在莲间嬉戏的生动景致就被描绘在诗歌中，流传至今。当下，在北京大学未名湖里，也有一群倏尔远逝、往来翕忽的鱼儿，领头的那只体型明显大过同伴，灵活地摆动着身体。眼尖的学生越瞅越觉不对劲儿，好奇地将它从水里捞出，掂在手里，才发现它并非鲜活之鱼，而是由冰凉的机器零件组装的仿真鱼。

二十余年来，北京大学工学院教授谢广明团队聚焦仿生机器人，不断探索机器人水下作业领域，科研成果颇丰。而被他精心“养育”的机器鱼，不仅可以像真鱼一样，在水里游动、感知环境、相互交流，还被科技赋予了许多“特异功能”——安上摄像头就是一台水下探测仪，可以清晰地给水下环境拍照，并实现数据传输；装上抓手就能代替潜水员，下潜到人类无法到达的深度，即使在恶劣浑浊的水下环境中，也可以通过触觉感知能力抓取物体；还能在鱼群中“以假乱真”，引导鱼群游向适宜的水域……

2001年，谢广明进入北大力学系攻读博士后，并为自己选择了一个在当时不太热门的研究方向——机器人。“选这个方向就是想做点看得见、摸得着的东西。”谢广明说，自己本科和博士分别读的是数学和自动控制专业，当时就觉得专业内容离实际应用有点远，“总感觉搞基础理论研究不够‘解气’，就想做点老百姓日常能用得上的研究。”然而，机器人分类多样，有以无人机为代表的空中机器人，也有类似无人驾驶汽车的陆地机器人，就连能与孩子对话的布娃娃也被归为机器人类。在如此繁杂的研究方向中，怎么就锁定了水里游的仿生机器鱼呢？谢广明认真地说：“因为水下的世界远比我们想象得要精彩。”

仿生机器人的研发离不开三个阶段：寻找模仿对象、设计构造、实验测试改进。“简单来讲，这三点就是我全部的工作内容。”谢广明说。轻描淡写的背后，蕴含了二十余年的钻研和努力。团队成员需要仔细观察鱼的游动姿态，通过力学分析、数字建模等，寻找最适合机器鱼的运动方式。“在这间实验室里经常能听到学生感叹：之前路过未名湖怎么就没发现，一条鱼竟有这么多种游动姿态！”谢广明笑着说。

3D打印仿生软体两栖机器人

由于两栖机器人可以使用相同的系统在陆地和水中移动，因此对安全、工业、国防和交通运输产生了重大影响。与使用螺旋桨、轮子或履带的传统两栖机器人相比，仿生两栖机器人可以进行更好的伪装。而软体机器人可以实现类似肌肉的驱动，更准确地模拟软生物的行为。但是对于软体两栖机器人来说，能否实现多地形适应和自主两栖登陆是其面临的最大挑战。

谢广明教授课题组研发了一种3D打印的仿生两栖机器人，可以实现在各种地面条件（如丘陵地形、断裂面、光滑斜坡、石子路、沙滩、泥泞地形和水面）上运动，甚至可以进行两栖登陆。乌龟通过四只脚的交替抬起，以匍匐运动的姿态实现直线运动。转弯时，以一条腿为轴不动，其他三只腿移动而实现转弯。

仿生腿的设计与制造，为制造经典气动致动器提供了一个新思路：通过内部预先设计支撑，以实现软材料进行3D打印（单只仿生腿腿的成本不到人民币1元）。并且支撑的存在也限制了充气后致动器的膨胀，实现了更大的弯曲。此外，仿生腿只需一个输入口即可实现三维运动进行移动和跨越障碍。由电机驱动的机器人腿需要两个或多个电机才能实现三维运动，很多软体机器人的腿也需要三个输入口才可以实现三维运动。减少的输入的数量也会减少气体及能源消耗，并且提高响应速度。

通过对仿生腿运动顺序的编程，可以实现不同的运动步态。学习乌龟的运动步态开发了直行和转弯步态，这使得机器人能够实现类似于乌龟的运动行为。另外，外壳的设计和制造也可以针对任何一种乌龟的形状自由设计，腿部可以被更逼真的硅胶膜覆盖，以提高生物欺骗性。

与现有的软体机器人相比，谢广明教授课题组研发的软机器人具有五个独特的优势。首先，仿生腿的设计与制造为软材料打印、中空结构制造、经典致动器设计制造提供了新思路。第二个优势是我们仅使用四个输入就完成了机器人的运动建模和六个步态的开发。第三，软体机器人出色的承重能力，显示了开发无缆的机器人的潜力。第四，软体机器人的运动能力。在同类型机器人中具有最高的地形适应性，并且直线速度最快，也是具备最快转弯速度的软体机器人之一。最后，其在非人类协助下进行两栖登陆的能力，以及对生物形态和运动方式的高度伪装，显示出其在搜索、侦察等军事领域的巨大应用潜力。

仿生章鱼实现水下自适应抓取

章鱼，作为一种神奇的水下动物，它灵活的触手具有操纵物体的天然优势，一直是仿生学家们争相模仿的对象。谢广明教授课题组在国际期刊Advanced Science上发表了题为“Glowing Sucker Octopus (Stauroteuthis syrtensis)-Inspired Soft Robotic Gripper for Underwater Self-Adaptive Grasping and Sensing”的研究论文，介绍了一种灵感来自于发光章鱼 (Stauroteuthis syrtensis) 的软体抓取手，可以实现水下的自适应抓取和感应。

章鱼身上最显著的特点，是那8条灵活自如的手臂。大多数的章鱼只有柔性手臂，表面分布有粘性吸盘。所以它们的力气也是大的惊人。不同于大多数的章鱼，发光章鱼的背膜覆盖了它的大部分臂长，形成独特的伞形，这样的特点可以通过防止动物从手臂间隙逃逸并增加抓取摩擦力来有效提高大物体和活体动物的抓取可靠性。

在这项研究中，研究人员们受发光章鱼捕食行为的启发，并借助 3D 打印和模块化浇注技术开发了一种新型软体抓取手，其几何结构和抓取能力与发光章鱼相似。该抓取手可以利用吸嘴被覆盖时发生的流量变化而产生触觉感知能力，分辨出各种物体的尺寸。因此，在浑浊的水下环境中，当机器视觉失效时，该抓取手的触觉可以发挥重要作用。

该抓取手具有出色的吸力和抓取能力，可以产生单独吸力抓取，单独吸盘闭合抓取及吸力和吸盘闭合共同作用抓取的三种抓取模式。此外，由于吸盘由柔软的硅胶材料制成，因此可以在没有损害的前提下实现对水下动物的抓取。

实验结果发现，所抓取的动物都可以通过打开抓取手吸盘回到水中自由游泳。该仿生软体抓取手由吸盘产生吸力与闭合进行抓取形成的独特的混合抓取模式，使得其无论是在空气中还是水下都展示出了出色的抓取能力。这个仿生软体抓取手的应用前景可谓非常广泛。未来，研发团队计划将它应用于水下打捞、物流分类、流水线上异类物体的选择和放置等场景。

以自然为师反哺大自然

2018年5月4日，北京大学迎来120周年校庆。这一天对谢广明来说，还有另一层特殊的意义——智能仿生设计实验室正式成立。实验室立足于智能仿生装备与系统的设计、研发和实际应用，开展自然界生物个体功能的仿生创新，模仿生物的运动、感知、定位、通信、作业等能力，并将其与人工智能机器人技术融合。

机器鱼也为实验室的成立“献礼”。同年，由谢广明团队学生研发的世界上首条水下摄影机器鱼，获得了国际消费类电子产品展览会（CES 2018）创新奖，并成功进行了产业化。面对这些成绩，谢广明始终没有忘记自己的初心：“让仿生机器人通过水下作业，为老百姓做点实事。”

随着科研的逐步深入，谢广明的仿生对象正在向水下的各个角落延伸：生活中常见的鲤鱼、草鱼，在海洋中畅游的海豚、鲸鱼、章鱼，两栖动物蝾螈……越来越多的水下生物从自然界“游”进实验室，向人类展示着运动、通讯、感知、抓取等多样的“超能力”。

物竞天择，适者生存。经过漫长进化的大浪淘沙，地球上的生物能够很好的适应特定环境，繁育后代。以自然为师，向大自然学习。人类通过借鉴生物的特点，探索更多样的世界，“这就是仿生的魅力！”面向未来，谢广明满怀好奇和期待：“水下还有太多秘密等待着人类的发现。探索未知，服务人类，是机器鱼承担的使命，也是团队永恒的目标。

文章来源： 高分子科学前沿，元培学院，京报网，机器人大讲堂