机器鱼，助力水质监测

　　随着经济的快速发展，工业污水、生活废水等污染物被不断排放到河流、水库、湖泊、海洋等处，严重破坏了这些水体的生态平衡，仿生机器鱼及机器海豚作为一种机动灵活的水下仿生机器人，为高性能水质监测设备的研制及开发提供了新的思路。

　　试想一下，这些长着真鱼外表、装着机器内脏的家伙，能在水里和鱼儿们一样自由自在地游动。不过，机器鱼可不会只顾着贪玩，它们一直都在用自己身上携带的先进仪器监测周围的水质，哪里漏油了、哪里排污了、哪里藻类生长异常了……机器鱼都能及时发现，并把相关的监测数据和地理位置发送给科学家们进行研究，是尽职尽责的“水质健康卫士”！

　　仿生学与机电学结合的产物

　　仿生机器鱼及机器海豚是仿生学及机电学高度发展相结合的产物，能模拟实现鱼类和海豚类游动的优良性能。与传统的基于螺旋桨推进的水下航行器相比，仿生机器鱼及机器海豚能达到推进器与舵的统一，从而具有高机动、低扰动、无污染等优点，更加适合在狭窄、复杂和动态的水下环境中执行水质监测等作业。

　　仿生机器海豚如何监测水质？

　　图中的仿生机器海豚，是以海洋中的虎鲸为仿生原型进行外形设计的。虎鲸头部略圆，身体呈纺锤形，不仅有利于提高内部空间利用率，而且流线外形易于减小游动过程中的流体阻力，提高游动速度和游动效率。

　　该机器海豚通过腰关节和尾关节的上下拍动，实现海豚式的游动；通过调节胸鳍角度，实现上浮和下潜，从而可以游到指定深度的水域监测水质情况。它的背鳍能够左右转动，以辅助实现转向。

　　它还采用了大量的传感器，能在野外环境下自主游动，并计算当前的下潜深度。头部的摄像头能够完成水中拍摄。头部透明舱内的避障模块，则用来帮助它识别水中的障碍物，从而避开危险。

　　通过惯性导航系统，它能够实时感知自己的游动姿态，并利用腰尾关节及胸鳍关节的配合，完成游动姿态的调节。而GPS系统则可以使它在水面上接收卫星信号，实现实时定位。

　　当然，作为水质监测机器海豚，其最重要的传感器便是水质传感器（详见结构示意图中的蓝色物体）。该水质传感器具有若干水质监测探头，能够实时监测预设的水质信息，例如电导率、叶绿素、pH值、溶解氧等。当然，也可以根据任务需要，实时更换所需的水质监测探头。

　　已面世的水质监测机器鱼

　　与传统人工采集或者固定监测站等水质监测方式相比，仿生机器鱼及机器海豚实现了灵活、便捷的水质监测。它们能够自由方便地游动到期望水域，采集相关水质，极大地节约了人力成本，扩大了有效监测范围，提高了水质监测效率。那么，目前已有哪些用于水质监测的机器鱼横空出世呢？

　　英国埃塞克斯大学：面向水质监测的仿生机器鱼

　　该仿生机器鱼的尾鳍采用月牙形结构，可提高游动速度；安装有GPS系统，可实现海洋中的实时定位。它在西班牙北部港口城市希洪的海港，进行了有关海洋污染物的水质监测，达到了预期的目标。

　　美国密歇根州立大学：仿生滑翔机器鱼

　　该仿生滑翔机器鱼是机器鱼和水下滑翔器的结合体，既能够利用尾鳍摆动实现类似鱼一样快速、灵活的游动，也能够像水下滑翔器一样利用内部的浮力机构调节自身浮力，实现长时间的滑翔运动。它的腹部携带蓝绿藻水质传感器，帮助人们采集了美国冬绿湖（Wintergreen）中的蓝绿藻信息，完成了水质监测任务。

　　中科院自动化研究所：仿生机器海豚水质监测实验平台

　　该水质监测系统由原位式节点网、机器海豚动态节点和上位机系统组成。机器海豚和原位式节点网能够通过水质传感器实时采集水质信息，包括叶绿素、电导率、溶解氧、pH值等，并上传到上位机系统。如今，该系统在北京雁栖湖做了野外实验，取得了令人满意的实验结果。

　　北京航空航天大学：仿生机器鱼SPC III

　　该机器鱼采用鱼雷状外形，振动翼装置安装在圆柱状身体的后端，利用两个直流电机的转动实现仿鱼式游动。它搭载了水质监测仪器“HACH-D5X”，在太湖蓝绿藻重污染区进行了长达两天的藻类监测实验，体现了良好的续航能力和任务执行能力。

　　目前，面向水质监测任务的仿生机器鱼及机器海豚尚处于初步研究阶段，还有非常多的实际问题需要解决。在未来的研究中，将重点解决复杂环境下的机器鱼及机器海豚系统避障、路径规划、水下定位、自主导航等实际应用问题，以实现和完成在狭窄或复杂水域环境下安全、有效的水质监测任务。

　　当然，除了水质监测外，仿生机器鱼及机器海豚还有望通过携带相关传感器，在海洋水文数据采集、海底环境监测及设施检测、海底搜救及捕捞甚至军事任务等领域大显身手。

　　文、图/吴正兴（中国科学院自动化研究所）

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