雷鋒網(wǎng) AI 科技評論按：2018 年 6 月 29 日至 7 月 1 日全球人工智能與機器人峰會（CCF-GAIR）在深圳召開，峰會由中國計算機學會（CCF）主辦，雷鋒網(wǎng) (公眾號：雷鋒網(wǎng))、香港中文大學（深圳）承辦，得到了寶安市政府的大力指導，是國內人工智能和機器人學術界、工業(yè)界及投資界三大領域的頂級交流盛會，旨在打造國內人工智能領域最具實力的跨界交流合作平臺。

CCF-GAIR 2018 延續(xù)前兩屆的「頂尖」陣容，提供 1 個主會場和 11 個專場（仿生機器人專場，機器人行業(yè)應用專場，計算機視覺專場，智能安全專場，金融科技專場，智能駕駛專場，NLP 專場，AI+專場，AI 芯片專場，IoT 專場，投資人專場）的豐富平臺，意欲給三界參會者從產(chǎn)學研多個維度，呈現(xiàn)出更富前瞻性與落地性相結合的會議內容與現(xiàn)場體驗。

北京大學工學院謝廣明教授于仿生機器人專場做了第二場報告，題為「智能仿生機器魚」。謝廣明教授對自己目前的研究進行了簡單介紹。

雷鋒網(wǎng)對演講內容做了不改變原意的整理，演講全文如下。

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

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

一、仿生運動控制與側線感知

近幾年，我們主要研究箱鲀魚的仿生，箱鲀魚的形狀像一個盒子。由于仿生機器魚內部負載空間通常很小，且基本被電機占據(jù)的，所以盒子狀的仿箱鲀機器魚可以增大內部空間。箱鲀魚的外形也很有特點，它內凹的形狀看上去很丑陋，其實面對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)境較復雜的區(qū)域，它可以通過胸鰭和尾鰭組合拍動來靈活的運動，因此我們覺得它是很好的仿生對象。

我們開發(fā)完成的樣機有一對獨立驅動的胸鰭和擺動的尾鰭，胸鰭和尾鰭相互配合讓機器魚可以像真魚一樣游動。我們的仿生魚可以前進、后退、上升、下降，我們接下來要實現(xiàn)前滾翻、后滾翻、側滾，通過胸鰭和尾鰭的相互配合來實現(xiàn)一些復雜的動作。這樣的話，將來到水下執(zhí)行任務的時候，機器魚就可以在復雜的環(huán)境中靈活的運動。

我們思考具體的應用場景下仿生魚要面對的問題時發(fā)現(xiàn)魚光會動還不足以解決實際問題，實際上在未知的環(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)境做出相應的動作。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，陰天時光線不足，所以這種感知方法限制很多。那么真實的魚在水中如何感知環(huán)境變化？魚的側線系統(tǒng)讓魚可以很好的適應水中生活。所以我們考慮為機器魚添加側線系統(tǒng)來感知環(huán)境信息。

我們在機器魚上集成了壓傳陣列，根據(jù)側線系統(tǒng)在面部和身體兩側各安裝三個壓傳。有了側線系統(tǒng)，我們就可以搜集更多信息，比如說仿生魚直游時，通過測量側線數(shù)據(jù)，我們可以計算出仿生魚相對于水體的速度。我們還想讓仿生魚通過側線系統(tǒng)來感知與伙伴的位置關系，比如前面一條魚在游動，后面的魚通過側線系統(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，保持兩條魚位置關系的穩(wěn)定。我們希望把側線系統(tǒng)與之前的的運動功能結合起來形成閉環(huán)反饋，使仿生魚既能運動又能感知環(huán)境。

二、通信組網(wǎng)與群體協(xié)作

仿生魚在水下還要面對通信問題，形成機器魚群需要伙伴之間進行溝通，我們原本的想法使集成水聲聲吶，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，可以調整身體的機能，讓自己身體形成一個電場，這個電場是變化的，可以把信號加載上去來傳遞給它的伙伴。能不能賦予機器魚這種功能？我們開始建立模型并進行理論分析，設計相應的電路系統(tǒng)，給仿生魚安裝發(fā)射電極和接收電極，最終成功實現(xiàn)了仿生機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，也完成了一個小實驗，即三條魚模擬。機器魚一由于與機器魚三距離比較遠，故兩者無法進行通信，我們把機器魚二當作路由器，最終實現(xiàn)了三條魚之間的通信。三條魚組成通信網(wǎng)絡，網(wǎng)絡組建完成以后，如果它們之間可以傳遞一些面向任務的信號，組網(wǎng)就算完成。例如第一條機器魚發(fā)送把胸鰭抬起來的信號給第二條魚，第二條魚完成這樣的動作，再傳遞給第三條魚，第三條魚也完成了這個動作，那么這個通過電場組成的通信網(wǎng)絡就算完成，仿生魚可以通過這個網(wǎng)絡進行交流。

我們研究的基本思想就是向大自然學習，以大自然為老師，對于一些比較好的生物特性，我們可以嘗試用于仿生機器人。個體仿生主要是實現(xiàn)高機動性、高效率的運動，通過通信組網(wǎng)我們可以實現(xiàn)群體仿生。我們設想這樣一個應用場景，派成百上千成本低廉的機器魚一起下水去搜索失事飛機，這成百上千的機器魚很有可能完成這種「大海撈針」的任務。所以我還是想強調不僅要關注個體仿生也要關注群體仿生。

這是國外水下攝影大展的獲獎作品，這些魚為什么有這樣的行為？這并不是因為好玩或是娛樂，唯一的目的是在惡劣、有限的資源環(huán)境下生存下去。很多計算機專業(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種群延續(xù)下去這種行為是一個很值得研究的問題，即群體智能。群體智能也是人工智能很重要的研究分支，生物界那些個體能力很弱的群體智能很值得研究。

群體行為有些特點，比說魚的感知、運動、執(zhí)行能力等個體能力都非常弱。還有它們形成群體以后，這個群體也沒有所謂的領導者或上帝告訴每條魚怎么決策、行動。而且對于這樣的魚群，即使在某個時刻讓某條魚消失，對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，很難看出它的游動規(guī)律，但魚群的游動卻非常協(xié)調、非常有序，這種個體無序、整體有序的現(xiàn)象是怎么實現(xiàn)的？其實每條魚只跟有限的個體交互就可以實現(xiàn)。比如說如果幾百個人在一起，然后讓你一個人協(xié)調大家動作，你可能處理不了。換成魚群，每條魚只關心周圍的情況，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。

計算機學家用動畫描述了這種群體智能，他們用三角形代表個體，每個個體在時間片內一步步移動。而個體的運動規(guī)則很簡單，它們就觀察自己周邊有限范圍內伙伴的情況，離得比較近的就遠離一些，離得遠的就靠近一些，下一步運動方向就是鄰居伙伴的平均方向。僅用這三個比較簡單的規(guī)則對魚群進行模擬，模擬結果和實際的情形很接近。

生物學家把這個平面模型進一步擴展到三維模型。在此基礎上我們嘗試讓機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現(xiàn)這樣的效果。

我們在北大未名湖測試過我們的仿生魚，當機器魚在水里游時，真魚會被吸引跟在后面，機器魚對真魚的活動產(chǎn)生了影響。這是一個很有意思的現(xiàn)象，將來或許可以研究用仿生機器人去影響自然界，構成一種機器和生命的混合系統(tǒng)，達到一種道法自然的境界。

三、競賽與應用

我們現(xiàn)在正在組織國際水中機器人競賽，比賽不僅是純學術類的，比如怎么讓機器人有的更好，還有很多應用類的項目，旨在解決一些實際問題。

我再介紹一下水下仿生機器魚的實際應用，一是環(huán)保檢測，比如水質監(jiān)測，現(xiàn)行的監(jiān)測方法非常費勁——都是檢測員劃小船到指定點采水樣，效率非常低，完全可以嘗試用機器魚去做這樣的事。二是污染源的探測，很多廠家的把自己的排水管道隱蔽起來逃避監(jiān)管。國外提出用蛇形機器人去追蹤源頭，其實機器魚也可以完成任務。三是垃圾清理，我們去年組織的比賽首次設立該項目，我們希望以后可以讓機器人去清理一些水上垃圾。水下垃圾我們希望也可以用機器人解決，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，這種方法很費力，我們希望也可以用機器人去完成。再把場景拓展一下，我們希望以后仿生魚可以應用于海洋污染治理。四是管道檢測，由于管道是注水的，檢測管道只能封死一段然后派人去檢測，以后可以讓機器人來完成這樣的任務?？偟膩碚f，仿生機器人的應用途徑非常廣泛。

以上就是雷鋒網(wǎng)整理的謝廣明教授演講全文。

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