浅谈带有集成软传感的软体机器鱼的建模和控制

随着技术的发展，软体机器人已经不是什么新鲜物种。那么，如果一只机器鱼在水中游泳时能根据水流速度自动调控，会是一种什么样的情景呢？

最近，由德国马克斯·普朗克智能系统研究所（MPI-IS）、韩国首尔国立大学和美国哈佛大学组成的研究团队成功开发了一款水下软体机器人。该机器人不仅能像鱼一样在水下游泳，还能根据水的速度自动调节在水中的摆动幅度。

3 月 17 日，该团队的论文以《带有集成软传感的软体机器鱼的建模和控制》（“Modeling and Control of a Soft Robotic Fish with Integrated Soft Sensing”）为题发表在 Advanced Intelligent Systems 期刊。

图丨相关论文截图

为了设计控制器，该研究团队开发了一种数据驱动、集总参数的方法。该方法允许使用实验数据和遗传算法进行精确但轻量的仿真。该模型可以准确地预测机器鱼驱动频率和压力幅度下的行为，包括对软执行器的拮抗共收缩的影响。

该机器鱼的两侧由硅胶腔室制成的人造肌肉组成，研究人员在其两侧分别输送空气，当一侧膨胀时会向外弯曲，另一侧的气穴则收缩向内弯曲。这会促进它的尾巴向右、向左摆动，这与真鱼在水中游泳时的运动模式相同。

图丨机器鱼示在水中游动及相关组件

为了提高传感器的灵敏度，研究人员将软应变传感器预拉伸到机器人的长度，并使用胶带和电缆扎带将传感器的两端牢固地连接到机器人。研究人员嵌入了最先进的软体应变传感器来测量机器鱼的弯曲度，该传感器的硅胶微通道充满液态金属，能像电话线一样富有弹性、可拉伸。

当机器鱼身体的一侧呈弯曲状态，则表明液态金属的电阻增强。研究人员为了测量电阻，将传感器连接到欧姆表，通过监测电阻的数据变化，确定给定数量的气压会使机器鱼身体起伏的幅度值。

图丨机器鱼起伏反馈控制器

研究人员将机器鱼放在水箱中测试气压控制器，通过传感器的数据确认机器人的游泳性能。他们发现了一种信号回路，该信号回路对控制器提供了一种自学习算法。

通过这种算法，当适量的空气通过气动装置时，可以进行自动调整。这样，机器鱼可以根据水流速度保持与之适应的游泳速度。这意味着，机器鱼在河流等环境中，即使不前进也不会被冲走。

“我们开发了一种流体动力学模型，可以预测机器鱼的行为。这是基于之前的研究，我们测量了机器鱼在收缩和身体僵硬状态游泳时的峰值推力，并测试了前馈起伏运动中的软传感器。本体感受性的软感官反馈使机器人能够响应不同的流动条件。”MPI-IS 的生物机器人和体细胞系统的运动项目负责人、该论文通讯作者 Ardian Jusufi 解释说。

图丨机器鱼实验装置

“在这项工作中，我们采用了一种简单的方法来构建软机器人鱼的数据驱动模型，并通过控制器设计对其进行扩展。该模型可以轻松扩展，而无需完全重建它。例如，研究机器人的缩放效果或测试不同类型的传感技术。” 该论文第一作者、MPI-IS 的 Yu-Hsiang Lin 描述了生物机器人和体细胞系统中的运动。

研究人员认为，传感器是一种全新的设计技术，并在该论文中将其描述为“超弹性液态金属应变传感器”。该技术是由首尔国立大学 Yong-Lae Park 教授团队以及哈佛大学的 Daniel Vogt 共同开发的。

“通过生物学以及软机器人技术，我们拥有了具有无限自由度的软体机器人。这意味着，软机器人身体的任何部分都可以变形。我们很难预估鱼的形状将如何变化，因为我们无法确定鱼的形状。在人体上安装的传感器数量很多，因为只有关节数量有限的刚性机器人才能做到这一点。”

Jusufi 在接受外媒采访时说：“该机器人将使我们能够测试和完善关于游泳动物神经力学的假设，并帮助我们改进未来的水下机器人。除了首次在水下动态条件下表征软应变传感器外，我们还开发了一种简单而灵活的数据驱动建模方法，以设计我们的游泳反馈控制器。该模型将引起科学界和将有助于加快软机器人设计和操作的未来工作。在即将进行的研究中，我们还将在陆上机器人中使用软应变传感器，该传感器可以爬升并克服复杂的障碍。”

通过研究鱼类的游动规律来构建机器人，有利于人造柔软结构的设计。未来，这种机器人也许可继续探索海洋的深处，并提供更有价值的海洋生物数据。既避免产生噪音，又能减少传统的推进式潜艇面临的纠缠风险。

机器鱼也许会成为节能的新选择，这也是越来越多的科研人员在开发软致动器和传感器上投入大量精力的原因。概括来说，该论文是鱼类神经力学及其形态智能领域的重要研究成果，或将加速促进生物学领域的发展。
编辑：lyn