自主式水下载具的未来:可在海中追踪鱼类的「仿生鱼」

  • 本文转载自科技大观园,原文为《水下载具的新星——仿生鱼的设计与未来应用》
  • 作者 / 科技大观园特约编辑|吴谨安

地球地表有 70% 被水体所覆盖,但湛蓝水面下的广袤区域却鲜少有人类踏足,水中的压力、密度与温度变化更构成许多潜在危险。而水下载具便提供相对安全的方式协助人类进行水下活动,早期遥控式水下载具(Remotely operated Vehicles,ROV)主要执行「粗工」类型的工业活动,母船以缆线供电并传输资讯给载具,对操作灵活度、节能的要求较低。直到近年水下载具逐渐被赋予水下探勘、调研等任务,在大范围移动前提下,开始发展无缆线的自主式水下载具(Autonomous Underwater Vehicles,AUV)。但AUV在海中移动同样会受到操作灵活性的挑战,并且缺少缆线供电使得节能也成为一大难题。

针对水下载具的限制,台大工程科学及海洋工程学系郭振华教授便指出,若能研发出仿生鱼,模仿在水中长期演化的鱼类的力学系统—即仿生型自主式水下载具(Biomimetic Autonomous Underwater Vehicle,BAUV)。将有助於克服现行水下载具在海中所遭遇的节能与操作限制。

一般水下载具面对的挑战:灵活度与节能

一般 AUV 以刚性机体搭配螺桨作为驱动,在活动时会受到许多挑战与限制—(1) 灵活度:螺桨驱动的载具无法做到灵巧的回旋,而浅水层或近岸水流通常较为强劲,更不利於刚性高的 AUV 活动。(2) 螺桨潜在故障风险:海洋垃圾与水生植物可能卷入螺桨导致故障。(3) 能源使用效率:螺桨驱动载具过於耗能,使得载具活动时间受限无法长期在水下独立作业。

郭教授也提到,BAUV 吸引人之处在於近岸作业时非常好用。一般 AUV 受限於环境与自身结构的限制,在近岸作业时常绑手绑脚。相较之下,BAUV 柔软的身躯可以在狭小空间内回旋自己的身体,并且透过摆动尾鳍、胸鳍或是排水等方式推进,没有螺桨卷入水草与垃圾的问题。

不过,BAUV 在设计上也需要考虑诸多因素。例如,BAUV 通常以连杆原理驱动鳍片摆动,需要考虑零件弹力系数多少、摆动幅度才能接近鱼鳍的摆动。此外,生物学家甚至尝试发展人工肌肉,利用改变材料的温度或压力,达成材料的膨胀收缩,进而模仿肌肉纤维的伸长与缩短。但相较电动马达,人工肌肉目前提供的力量输出较小、速度不够快,只适用於小型载具。而且软性人工肌肉如何承受海底高压也须进一步研究。

郭教授提到中国浙江大学发表於 Nature 期刊的研究,便参考深海狮子鱼(hadal snailfish)的身体结构,舍弃坚硬的抗压外壳,改以柔软的矽氧树脂等聚合物包裹电子零件,并有着一对大而薄的翅膀规律摆动提供动力,最终成功地在马里亚纳海沟 10000 公尺深的海底游动。

作业环境大不同:浅海与深海作业的挑战

如同鱼类适应其生活环境演化出不同型态,在浅海与深海作业的 BAUV 外型设计也有不同。浅海因为有较为强劲的海流波动, BAUV 通常接近流线型,能因应海流借力使力、做出高速的回旋动作。郭教授以溪流中的鱼类为例,在溪流中常可以看到鱼类紧贴在石头後方游动。原理便是利用水流经过石头後形成的反向涡流,帮助牠们不费力地在流动的溪流中保持在固定位置。

反之,深海水流较小,主要的问题是密度跃层(Pycnocline)、通讯与环境侦测:

(1) 密度跃层:海水密度受温度、盐度与深度影响,通常密度会随水深增加而变大,直到一定深度後,深度的影响降低。此时,密度主要受温度与盐度影响增加,有时会突然形成一道密度剧烈增加的水层,便称为密度跃层。若 BAUV 无法改变自身密度,可能因浮力太大无法突破向下潜入。相反的,也可能无法有足够的浮力向上浮出水面。

(2) 与水面的通讯:深海作业的 BAUV 与母船间可能相隔有数公里厚的水层阻断电磁波传递,使得资讯联系变得更加不易。尽管仍可利用通讯声纳与水面联系,但同样面临电力的限制。郭教授也提到或许载具不需要频繁地与水面联系,以比目鱼为例,比目鱼身形扁平且长期在海底,几乎与海底融为一体。教授指出若能设计一种 BAUV 模仿比目鱼,不主动探测水面有甚麽,而是被动的接收资料与讯号,节省探测消耗的能量。直到接收到特定讯息,才启动运动机制做出回应。另外,也可以在 BAUV 活动的范围设置具有电磁感应接头的海底电缆,BAUV 只要贴在电缆上便可以直接传输讯息与充电,更为方便与节能。

(3) 辨识周遭环境与导航:在深海无光环境中,BAUV 需要依靠声纳或是磁力感测周围环境,但如何自主导航与定位仍是一大挑战。因此,郭教授提到鱼类在水中成群活动时,并不是依靠视觉追踪前方的领游者,而是利用身上的体侧线感测周围流场的压力变化,进而达成追踪。教授近期的研究便模仿参考鱼类体侧线的原理使 BAUV 能够追踪前方的领游者。

神奇的设计让仿生鱼能自主追踪其他鱼类:模仿鱼类的体侧线

深海大部分鱼类虽然视觉已经退化,但在掠食者靠近时仍然能快速地闪避。而浅海常可见到鱼群快速地变换,形成螺旋等几何图案。这些行为部分仰赖的便是鱼身上的体侧线细胞,以纤毛感测水流加速度与压力梯度变化,进而辨别周遭环境的变化。

近年,研究者们也尝试模仿鱼类体侧线原理让 BAUV 得以感知并与周遭环境互动。体侧线的模仿可利用微晶片技术,搭配类似纤毛的感测元件达成。另一种则是现成的压力感测器,以压电材料将压力变化转为电压。以此原理透过排列於 BAUV 体表的压力计阵列感测,并反推出压力源头加以分析是否遭遇地形障碍,或有其他移动的物体正在靠近。

近期研究中,郭教授的团队也以模仿鱼类体侧线的方式,透过侧线的排列与侦测方程式的推算可以得出前方压力源位置的方式,协助 BAUV 追踪前方的领游者。结果发现当领游者位於 BAUV 前方一定角度扇形区域内时,对於领游者(压力源)的跟随与定位最为准确,这项发现也与现实中鱼类追踪行为的统计数据一致。

不过,郭教授也提到体侧线感测原理的限制,一般鱼群群游时个体如此紧密相邻,部分可能肇因於体侧线有效感测的距离限制,其感测的水压变化频率较低、无法远距离传递。因此若要使用水压做导航,必须与相邻的鱼群靠得非常近。

未来展望

提到 BAUV 未来的发展目标,郭教授说,BAUV 在近海、浅水等水流强劲的区域能达成传统 AUV 所做不到的操作,并能克服螺桨驱动载具的风险。甚至能利用海流或旋涡的水流「借力使力」,以较少的能量运作。除了近海作业,BAUV 也被看好能应用於海底探勘,节能的优点使 BAUV 能大范围的蒐集资料,高度的灵活性也能帮助其闪避障碍物,研究结果可以应用於民生与国防用途。

例如,郭教授本次受访前便刚结束黑潮发电的海上调研工作,未来若能以 BAUV 调查海洋涡流与季节、地域等变因间的关联,更能有利於研究者以及政府做出有效率的决策。

参考资料

  • 仿生鱼雏形制作与试验验证
  • 潜入未知的深海世界:仿生机械鱼「Nemo」 与钢铁鱼「Iron Fish」—《科学筑梦大现场》
  • 机器人专题报导(二): 实地跟访–探索海底两万里秘境–水下机器人
  • 船的形形色色:海洋侦测大队
  • 自主式水下载具利用压力感测定位追踪领导仿生鱼
  • 哈佛大学的机器鱼学会智慧协作,集体「游」上《Science Robotics》封面

  • 情慾、性别、身体与性犯罪——科学视角下的性教育
  • 如何打造科学家的房间!科学实验室EP.6 — 会动的AR绘本
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