謝廣明教授團隊最新《Science Advances》成果：能裝會拼的機器魚

近年來，海洋強國建設(shè)受到國家高度重視，水下機器人正逐漸成為海洋環(huán)境感知、資源探索和應(yīng)急救援中的關(guān)鍵核心裝備。然而，現(xiàn)有的傳統(tǒng)水下機器人往往面向特定場景任務(wù)設(shè)計，普遍存在運動方式單一、環(huán)境適應(yīng)性有限、任務(wù)靈活性不足等問題，在復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化水域環(huán)境中存在明顯的局限性。與之形成鮮明對比的是，自然界中各種各樣的魚類卻展現(xiàn)出豐富的運動方式：有的通過鰻狀游動，更加節(jié)能高效；有的依靠胸鰭游動，在狹窄空間中依然靈活機動。這不禁引發(fā)我們的思考：水下機器人能否“師法自然，取其精華”，將魚類多樣運動方式所蘊含的優(yōu)勢融入同一機器人系統(tǒng)，從而突破傳統(tǒng)水下機器人的能力限制？

帶著這樣的思考，北京大學(xué)謝廣明教授團隊在國際期刊《Science Advances》發(fā)表研究論文“Self-reconfigurable robotic fish swarms: collective achievement of diverse locomotion and challenging aquatic tasks”，提出了一種模塊化自重構(gòu)機器魚群系統(tǒng)。在這一系統(tǒng)中，單個機器魚就像一塊智能化的“積木”，既能獨立游動又可以按需拼裝。可根據(jù)環(huán)境或任務(wù)需求的不同彼此拼接成不同的構(gòu)型，從而適應(yīng)復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化的水域環(huán)境以及多樣化的任務(wù)挑戰(zhàn)。

圖1. 模塊化機器魚的設(shè)計原理及未來應(yīng)用展望

在系統(tǒng)設(shè)計上，每個模塊化機器魚單體都具備三個主動自由度，包括用于推進的尾鰭擺動副，以及用于姿態(tài)調(diào)整的側(cè)向旋轉(zhuǎn)副。借助這些設(shè)計，機器魚既可以獨立游動，也能夠在拼裝后快速調(diào)整彼此的相對朝向。機器魚之間通過電永磁鐵結(jié)構(gòu)實現(xiàn)縱向與側(cè)向兩種拼接形式。該結(jié)構(gòu)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的物理連接，還可以實現(xiàn)模塊間的通信能力，從而有效完成控制指令的傳輸。

圖2. 機器魚群的自組裝與自重構(gòu)

相比陸地或空中機器人，機器魚在水中對接時往往面臨著獨有的挑戰(zhàn)。一方面，水流的干擾不可避免，這既包括外部水流的影響，也包括機器魚之間相互產(chǎn)生的流場干擾；另一方面，機器魚單體（獨輪車模型）自身的運動能力有限，難以在擾動環(huán)境中穩(wěn)定靠近并完成對接。然而，自然界中的魚類早已給出了答案——它們往往通過編隊游動這種群體行為，有效減弱水流擾動對個體的影響。受此啟發(fā)，團隊提出了一種基于編隊的動態(tài)協(xié)作對接策略，巧妙地將編隊思想引入對接過程。在該策略下，機器魚群會根據(jù)初始位置與收斂環(huán)境，選擇合適的編隊形式完成收斂并逐步靠近，最終實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的對接。

圖3. 機器魚在多樣運動性能方面的突破

團隊進一步通過實驗系統(tǒng)地驗證了模塊化拼接在運動性能方面的優(yōu)勢。實驗結(jié)果表明，機器魚群通過拼接成不同構(gòu)型，能夠在游動速度、穩(wěn)定性、能量轉(zhuǎn)換效率和機動性等關(guān)鍵指標上均獲得顯著提升。甚至在淺水環(huán)境中，機器魚群還能夠?qū)崿F(xiàn)爬行運動，完成傳統(tǒng)水下機器人難以實現(xiàn)的多模態(tài)運動，從而顯著提升對復(fù)雜地形的適應(yīng)能力，并大幅拓展其活動范圍。

圖4. 機器魚群協(xié)作完成挑戰(zhàn)性任務(wù)

在此基礎(chǔ)上，研究團隊進一步設(shè)計并驗證了多種功能性任務(wù)實驗。機器魚群能夠通過協(xié)作完成物體運輸、開門操作以及復(fù)雜地形下的爬行運動，甚至還可以重構(gòu)為抓手構(gòu)型，實現(xiàn)對大尺寸目標物體的穩(wěn)定抓取。這充分展示了機器魚群通過協(xié)作所具備的強大環(huán)境障礙物交互能力以及在復(fù)雜水域環(huán)境中任務(wù)執(zhí)行的能力。此外，團隊還將實驗進一步拓展至野外環(huán)境，在真實戶外水域中初步驗證了核心功能的可行性與魯棒性。

圖5. 野外環(huán)境實驗

相比現(xiàn)有的水下模塊化機器人系統(tǒng)，團隊的研究成果在運動性能與功能性方面均獲得了顯著提升，極大拓展了水下機器人的能力邊界。該研究突破了傳統(tǒng)機器人“特定功能依賴專業(yè)性設(shè)計”的普遍假設(shè)，展示了一種水下機器人通過模塊化設(shè)計思路實現(xiàn)環(huán)境適應(yīng)性與任務(wù)多樣性的全新技術(shù)范式。展望未來，模塊化機器魚群有望應(yīng)用于水面救援、復(fù)雜水域探索等關(guān)鍵場景，為應(yīng)對未知非結(jié)構(gòu)化水域環(huán)境中的隨機突發(fā)任務(wù)挑戰(zhàn)提供新的技術(shù)手段，并為海洋強國戰(zhàn)略的實施貢獻有力的技術(shù)支撐。

該論文的第一作者為北京大學(xué)先進制造與機器人學(xué)院博士研究生司博文，謝廣明教授為唯一通訊作者。合作者包括北京大學(xué)工學(xué)院本科生常李垚、北京大學(xué)先進制造與機器人學(xué)院博雅博士后李帥、碩士研究生丁振宇。相關(guān)研究得到了國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金等項目資助。

B.Si, L.Chang, S.Li, Z.Ding, G.Xie*, Self-reconfigurable robotic fish swarms: collective achievement of diverse locomotion and challenging aquatic tasks.Science Advances, 2026

論文鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adz2458