雷鋒網(wǎng) AI 科技評(píng)論按：2018 年 6 月 29 日至 7 月 1 日全球人工智能與機(jī)器人峰會(huì)（CCF-GAIR）在深圳召開，峰會(huì)由中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)（CCF）主辦，雷鋒網(wǎng) (公眾號(hào)：雷鋒網(wǎng))、香港中文大學(xué)（深圳）承辦，得到了寶安市政府的大力指導(dǎo)，是國(guó)內(nèi)人工智能和機(jī)器人學(xué)術(shù)界、工業(yè)界及投資界三大領(lǐng)域的頂級(jí)交流盛會(huì)，旨在打造國(guó)內(nèi)人工智能領(lǐng)域最具實(shí)力的跨界交流合作平臺(tái)。

CCF-GAIR 2018 延續(xù)前兩屆的「頂尖」陣容，提供 1 個(gè)主會(huì)場(chǎng)和 11 個(gè)專場(chǎng)（仿生機(jī)器人專場(chǎng)，機(jī)器人行業(yè)應(yīng)用專場(chǎng)，計(jì)算機(jī)視覺專場(chǎng)，智能安全專場(chǎng)，金融科技專場(chǎng)，智能駕駛專場(chǎng)，NLP 專場(chǎng)，AI+專場(chǎng)，AI 芯片專場(chǎng)，IoT 專場(chǎng)，投資人專場(chǎng)）的豐富平臺(tái)，意欲給三界參會(huì)者從產(chǎn)學(xué)研多個(gè)維度，呈現(xiàn)出更富前瞻性與落地性相結(jié)合的會(huì)議內(nèi)容與現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)。

北京大學(xué)工學(xué)院謝廣明教授于仿生機(jī)器人專場(chǎng)做了第二場(chǎng)報(bào)告，題為「智能仿生機(jī)器魚」。謝廣明教授對(duì)自己目前的研究進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。

雷鋒網(wǎng)對(duì)演講內(nèi)容做了不改變?cè)獾恼?，演講全文如下。

水下仿生機(jī)器人的研究具有重大意義，它的應(yīng)用前景非常廣泛。所謂仿生機(jī)器人就是具有生物特征和功能的機(jī)器人，我們的主要研究項(xiàng)目是智能仿生機(jī)器魚。水下環(huán)境非常復(fù)雜，仿生魚在水下的供能、通信等方面的能力非常有限。我們的目標(biāo)是研究出機(jī)器魚群，所以既要注重單體的研發(fā)，也要注重群體技術(shù)的研發(fā)，我們希望機(jī)器魚群可以解決一些實(shí)際問題。

如圖所示，這是我們現(xiàn)在做的機(jī)器人樣機(jī)，包括仿鯉魚、仿海豚，以及一些仿兩棲類。我們研究這個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)有十來年了，目前取得了不錯(cuò)的成果。2012 年和 2014 年分別在南極和北極下水成功。

一、仿生運(yùn)動(dòng)控制與側(cè)線感知

近幾年，我們主要研究箱鲀魚的仿生，箱鲀魚的形狀像一個(gè)盒子。由于仿生機(jī)器魚內(nèi)部負(fù)載空間通常很小，且基本被電機(jī)占據(jù)的，所以盒子狀的仿箱鲀機(jī)器魚可以增大內(nèi)部空間。箱鲀魚的外形也很有特點(diǎn)，它內(nèi)凹的形狀看上去很丑陋，其實(shí)面對(duì)水流沖擊有很好的自穩(wěn)效果。箱鲀魚主要生活在珊瑚礁中環(huán)境較復(fù)雜的區(qū)域，它可以通過胸鰭和尾鰭組合拍動(dòng)來靈活的運(yùn)動(dòng)，因此我們覺得它是很好的仿生對(duì)象。

我們開發(fā)完成的樣機(jī)有一對(duì)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的胸鰭和擺動(dòng)的尾鰭，胸鰭和尾鰭相互配合讓機(jī)器魚可以像真魚一樣游動(dòng)。我們的仿生魚可以前進(jìn)、后退、上升、下降，我們接下來要實(shí)現(xiàn)前滾翻、后滾翻、側(cè)滾，通過胸鰭和尾鰭的相互配合來實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的動(dòng)作。這樣的話，將來到水下執(zhí)行任務(wù)的時(shí)候，機(jī)器魚就可以在復(fù)雜的環(huán)境中靈活的運(yùn)動(dòng)。

我們思考具體的應(yīng)用場(chǎng)景下仿生魚要面對(duì)的問題時(shí)發(fā)現(xiàn)魚光會(huì)動(dòng)還不足以解決實(shí)際問題，實(shí)際上在未知的環(huán)境下，仿生魚必須先感知環(huán)境信息、感知環(huán)境變化，然后再根據(jù)環(huán)境做出相應(yīng)的動(dòng)作。接下來我們要賦予仿生魚感知能力，一種方案是加攝像頭和聲納，但水下的環(huán)境通常非常渾濁，陰天時(shí)光線不足，所以這種感知方法限制很多。那么真實(shí)的魚在水中如何感知環(huán)境變化？魚的側(cè)線系統(tǒng)讓魚可以很好的適應(yīng)水中生活。所以我們考慮為機(jī)器魚添加側(cè)線系統(tǒng)來感知環(huán)境信息。

我們?cè)跈C(jī)器魚上集成了壓傳陣列，根據(jù)側(cè)線系統(tǒng)在面部和身體兩側(cè)各安裝三個(gè)壓傳。有了側(cè)線系統(tǒng)，我們就可以搜集更多信息，比如說仿生魚直游時(shí)，通過測(cè)量側(cè)線數(shù)據(jù)，我們可以計(jì)算出仿生魚相對(duì)于水體的速度。我們還想讓仿生魚通過側(cè)線系統(tǒng)來感知與伙伴的位置關(guān)系，比如前面一條魚在游動(dòng)，后面的魚通過側(cè)線系統(tǒng)來感知前后距離、左右距離以及兩條魚之間的夾角。這樣有助于維持魚群的群體不變性，保持兩條魚位置關(guān)系的穩(wěn)定。我們希望把側(cè)線系統(tǒng)與之前的的運(yùn)動(dòng)功能結(jié)合起來形成閉環(huán)反饋，使仿生魚既能運(yùn)動(dòng)又能感知環(huán)境。

二、通信組網(wǎng)與群體協(xié)作

仿生魚在水下還要面對(duì)通信問題，形成機(jī)器魚群需要伙伴之間進(jìn)行溝通，我們?cè)镜南敕ㄊ辜伤暵晠?，但是水聲聲吶換能器體積比較大，功耗比較高，無法集成在小魚上。能不能有新的方式來實(shí)現(xiàn)近距離通信？啟發(fā)來自生物界，我們找到一種弱電魚，可以調(diào)整身體的機(jī)能，讓自己身體形成一個(gè)電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)是變化的，可以把信號(hào)加載上去來傳遞給它的伙伴。能不能賦予機(jī)器魚這種功能？我們開始建立模型并進(jìn)行理論分析，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路系統(tǒng)，給仿生魚安裝發(fā)射電極和接收電極，最終成功實(shí)現(xiàn)了仿生機(jī)器魚的新水下通信方式。

上文的通信是兩條魚之間的交互，如果讓魚群進(jìn)行通信就涉及到水下組網(wǎng)的問題，我們現(xiàn)在初步完成了協(xié)議，解決通信信道的沖突問題，也完成了一個(gè)小實(shí)驗(yàn)，即三條魚模擬。機(jī)器魚一由于與機(jī)器魚三距離比較遠(yuǎn)，故兩者無法進(jìn)行通信，我們把機(jī)器魚二當(dāng)作路由器，最終實(shí)現(xiàn)了三條魚之間的通信。三條魚組成通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)組建完成以后，如果它們之間可以傳遞一些面向任務(wù)的信號(hào)，組網(wǎng)就算完成。例如第一條機(jī)器魚發(fā)送把胸鰭抬起來的信號(hào)給第二條魚，第二條魚完成這樣的動(dòng)作，再傳遞給第三條魚，第三條魚也完成了這個(gè)動(dòng)作，那么這個(gè)通過電場(chǎng)組成的通信網(wǎng)絡(luò)就算完成，仿生魚可以通過這個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交流。

我們研究的基本思想就是向大自然學(xué)習(xí)，以大自然為老師，對(duì)于一些比較好的生物特性，我們可以嘗試用于仿生機(jī)器人。個(gè)體仿生主要是實(shí)現(xiàn)高機(jī)動(dòng)性、高效率的運(yùn)動(dòng)，通過通信組網(wǎng)我們可以實(shí)現(xiàn)群體仿生。我們?cè)O(shè)想這樣一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，派成百上千成本低廉的機(jī)器魚一起下水去搜索失事飛機(jī)，這成百上千的機(jī)器魚很有可能完成這種「大海撈針」的任務(wù)。所以我還是想強(qiáng)調(diào)不僅要關(guān)注個(gè)體仿生也要關(guān)注群體仿生。

這是國(guó)外水下攝影大展的獲獎(jiǎng)作品，這些魚為什么有這樣的行為？這并不是因?yàn)楹猛婊蚴菉蕵?，唯一的目的是在惡劣、有限的資源環(huán)境下生存下去。很多計(jì)算機(jī)專業(yè)的可能都知道粒子群優(yōu)化算法，而在生物界，通過群體的方式讓整個(gè)種群延續(xù)下去這種行為是一個(gè)很值得研究的問題，即群體智能。群體智能也是人工智能很重要的研究分支，生物界那些個(gè)體能力很弱的群體智能很值得研究。

群體行為有些特點(diǎn)，比說魚的感知、運(yùn)動(dòng)、執(zhí)行能力等個(gè)體能力都非常弱。還有它們形成群體以后，這個(gè)群體也沒有所謂的領(lǐng)導(dǎo)者或上帝告訴每條魚怎么決策、行動(dòng)。而且對(duì)于這樣的魚群，即使在某個(gè)時(shí)刻讓某條魚消失，對(duì)于群體也絲毫沒有影響，這都是很有意思的現(xiàn)象。如果只是聚焦于魚群中的某一條魚，很難看出它的游動(dòng)規(guī)律，但魚群的游動(dòng)卻非常協(xié)調(diào)、非常有序，這種個(gè)體無序、整體有序的現(xiàn)象是怎么實(shí)現(xiàn)的？其實(shí)每條魚只跟有限的個(gè)體交互就可以實(shí)現(xiàn)。比如說如果幾百個(gè)人在一起，然后讓你一個(gè)人協(xié)調(diào)大家動(dòng)作，你可能處理不了。換成魚群，每條魚只關(guān)心周圍的情況，鄰居的情況，然后根據(jù)這些情況做出決策，整體仿佛就擁有了群體智能。

計(jì)算機(jī)學(xué)家用動(dòng)畫描述了這種群體智能，他們用三角形代表個(gè)體，每個(gè)個(gè)體在時(shí)間片內(nèi)一步步移動(dòng)。而個(gè)體的運(yùn)動(dòng)規(guī)則很簡(jiǎn)單，它們就觀察自己周邊有限范圍內(nèi)伙伴的情況，離得比較近的就遠(yuǎn)離一些，離得遠(yuǎn)的就靠近一些，下一步運(yùn)動(dòng)方向就是鄰居伙伴的平均方向。僅用這三個(gè)比較簡(jiǎn)單的規(guī)則對(duì)魚群進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果和實(shí)際的情形很接近。

生物學(xué)家把這個(gè)平面模型進(jìn)一步擴(kuò)展到三維模型。在此基礎(chǔ)上我們嘗試讓機(jī)器魚也擁有這樣的群體特性，我們手上的仿生魚不多，目前我們可以用三條魚來實(shí)現(xiàn)這樣的效果。

我們?cè)诒贝笪疵y(cè)試過我們的仿生魚，當(dāng)機(jī)器魚在水里游時(shí)，真魚會(huì)被吸引跟在后面，機(jī)器魚對(duì)真魚的活動(dòng)產(chǎn)生了影響。這是一個(gè)很有意思的現(xiàn)象，將來或許可以研究用仿生機(jī)器人去影響自然界，構(gòu)成一種機(jī)器和生命的混合系統(tǒng)，達(dá)到一種道法自然的境界。

三、競(jìng)賽與應(yīng)用

我們現(xiàn)在正在組織國(guó)際水中機(jī)器人競(jìng)賽，比賽不僅是純學(xué)術(shù)類的，比如怎么讓機(jī)器人有的更好，還有很多應(yīng)用類的項(xiàng)目，旨在解決一些實(shí)際問題。

我再介紹一下水下仿生機(jī)器魚的實(shí)際應(yīng)用，一是環(huán)保檢測(cè)，比如水質(zhì)監(jiān)測(cè)，現(xiàn)行的監(jiān)測(cè)方法非常費(fèi)勁——都是檢測(cè)員劃小船到指定點(diǎn)采水樣，效率非常低，完全可以嘗試用機(jī)器魚去做這樣的事。二是污染源的探測(cè)，很多廠家的把自己的排水管道隱蔽起來逃避監(jiān)管。國(guó)外提出用蛇形機(jī)器人去追蹤源頭，其實(shí)機(jī)器魚也可以完成任務(wù)。三是垃圾清理，我們?nèi)ツ杲M織的比賽首次設(shè)立該項(xiàng)目，我們希望以后可以讓機(jī)器人去清理一些水上垃圾。水下垃圾我們希望也可以用機(jī)器人解決，比如一些蓄水池，現(xiàn)在的垃圾處理方法是把水抽干讓人去清理，這種方法很費(fèi)力，我們希望也可以用機(jī)器人去完成。再把場(chǎng)景拓展一下，我們希望以后仿生魚可以應(yīng)用于海洋污染治理。四是管道檢測(cè)，由于管道是注水的，檢測(cè)管道只能封死一段然后派人去檢測(cè)，以后可以讓機(jī)器人來完成這樣的任務(wù)?？偟膩碚f，仿生機(jī)器人的應(yīng)用途徑非常廣泛。

以上就是雷鋒網(wǎng)整理的謝廣明教授演講全文。

雷峰網(wǎng)原創(chuàng)文章，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。詳情見轉(zhuǎn)載須知。