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      我們如何用仿生科技守護海洋未來?

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      2008 年 12 月 5 日第 63 屆聯合國大會通過了第 111 號決議。自 2009 年起,每年的 6 月 8 日就被定為了“世界海洋日”。2023 年 6 月 8 日是第 15 個世界海洋日,主題為“保護海洋生態系統,人與自然和諧共生”。

       

       

       

       

      我們生活在這顆美麗的藍色星球上,表面70%都被海洋覆蓋,占到總水量的97%。海洋像是母親,孕育著地球上生命的奇跡,在海里有從微不可見的浮游生物到遮天蔽日的鯨魚,色彩繽紛的珊瑚間穿梭著成群的小魚;在陸上的生物也絕離不開海洋,作為一個巨大的洋流系統,海洋循環養分、調節溫度和氣候、維持著地球的水循環。

       

      作為人類,我們早就認識到海洋的價值,人們從海里拿走食物、獲得靈感,人們依靠海洋進行運輸,甚至發展出了獨特的海洋文明。然而隨著社會以驚人的速度發展,海洋問題愈發凸顯。污染、過度捕撈、棲息地破壞、和海洋酸化等等嚴峻的環境挑戰,需要我們密切關注并采取行動。關注我們賴以生存的海洋,就是關注我們自身。

       

      仿生學是一種模仿自然界生物體形態、功能和運動方式的學科,從機器人到影像技術,從體育運動到建筑學,仿生技術都隨處可見。仿生魚學習了水中魚兒的智慧,其外形和運動方式與真正的魚類非常相似。它們可以在水中像真正的魚一樣游動,因而繼承了很多魚類的特性優勢。要想了解仿生魚的能做些什么,不妨先從它的優勢說起。

       

       

      博雅工道仿生金龍魚 BG-5

      仿生魚的優勢

       

      隱蔽

      仿生魚在形態、物理特性、動力機能和運動行為等方面與真正的魚類非常相似。這使它獲得了第一個優勢——良好的隱蔽性,魚類會把其視作同類,不會受到驚擾,人類也會把其視作一條普通的魚。

       

       

      湖中的魚跟隨仿生機器魚 BIKI 游動

       

      低噪音

      傳統的螺旋槳推進的水下機器人在行進時會發出較大的噪音,同時也會擾亂水流,這無疑會在某種程度上影響到水中的自然環境;而仿生魚行進時,噪音非常小,其游動方式自然流暢,不會對水下生態環境帶來負面影響。

       

       

      高機動性

      魚類自身的機動性比傳統螺旋槳驅動的機器人要高出許多,魚類啟動時的加速度可以達到50倍重力加速度,轉彎時,魚類的轉彎半徑只有體長的10%~30%,而普通螺旋槳推進系統要達到體長的3~5倍。仿生魚學習了這些特性,具有突出的機動性能,在水下行動不受限制。

       

       

      仿生金龍魚 BG-5 在水中自主避障、快速轉彎


      團隊協作

      除了模仿單條魚,仿生魚還可以學習魚群的合作能力。從水動力學來看,魚在水中集群游泳可以節省個體魚的能量消耗,同時魚類之間還能交換信息,增強效率。

       

      海洋中的魚常會形成魚群

       

      仿生魚的用途

       

      生態保護

      人類建設水利設施的時候會發生更改魚類洄游路線的情況。平常單獨生活的魚在洄游時也集結成群一同洄游。由于人類開發水域,魚兒的洄游路線發生改變可能使魚群“走丟”。

      仿生機器魚以假亂真的特性可以引導魚群到人工開發的洄游道上,讓魚兒順利洄游,維護生態環境。

       

      洄游的魚群

       

      環保監測

      仿生魚可以用于監測海洋的方方面面,幫助人們進行水下環境調查。

      仿生魚亦可以用于研究海洋中不同區域物種的數量、分布和行為,以及其中隱含的生態條件,為保護生物多樣性做出貢獻。

       

      博雅工道仿生鯊魚BS-100

      科學研究

      人們可以利用仿生魚在海底繪制出三維水下地形圖,且不被魚群注意到,這項技術可以在海洋生態的研究中發揮作用。

      除此之外,仿生魚可以應用于機器學習、協同控制和多智能體協調等領域,在未來將為機器人技術的進一步發展做出貢獻。

       

      仿生魚模仿魚群進行協作

       

      隱蔽搜索

      由于仿生魚具有高度仿真魚類的外形和游動方式,因此不易被雷達聲吶等設備探測到,能夠實現有效的隱蔽搜索、偵察。

      大型的仿生魚還可以搭載各種傳感器如聲納、激光雷達、磁力計等設備,完成水下搜索定位,幫助人們搜尋海底的沉船、飛機、導彈殘骸,保護海洋生態平衡。

       

      展覽展示

      近兩年海洋館幾次成為爭議話題,人們開始思考讓大型海洋生物居住在人類建造的水缸是否合理,思考動物表演是否道德。

      逼真的仿生魚可以和真魚一起在海洋館等場所進行展覽展示,甚至可以替代真魚去完成水下表演。

       

      博雅工道仿生鯊魚 BS-100

       

      仿生魚應用場景廣闊,世界各地對它的研究也還未停止。相信在未來,我們會看到更加多種多樣的仿生魚,給人類以便利,給自然以回報。

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