互动科普

“现在，你是全世界唯一一位同时掌控着5个水下机器人的人。”Nekton的创始人之一Charles Pell对我说。我手里拿着5个小机器人，每个重70克，有哈瓦那雪茄烟那么大。尽管有点像玩具，但它们也许是世界上最小的水下自动装置(AUVs)。在户外水域的试验中，它们不仅可以在极小的区域里转弯，还能沿着设定的航线行进。较大一些的此类装置行进速度可达3节(相当于每秒1．5米)，并能急速转向。

这种水下机器人被称为“微型猎手”，是Nekton研究公司的最新发明之一。Nekton是一家1994年成立的技术孵化器公司，旨在实现Stephen A．Wainwright实验室提出的新思想(Wainwright是生物力学领域的一位领军人物)。Wainwright领导的生物设计工作室曾经是杜克大学动物学系的一部分，在那里，科学家与艺术家一道制作了大量各种生物体的三维工作模型。

Nekton在仿生学研究领域已处于领先地位，它从大自然的奇妙中获得启示，用于研制机器人。尽管有许多机器人的设计源于爬行动物和昆虫的启示，但“微型猎手”的发明却源于一种非常简单的生物：单细胞草履虫。Nekton的合作者、杜克大学的动物学家Hugh C．Crenshaw解释说，草履虫的身体只有一部分能运动，它的行进线路为螺旋形，通过改变旋转速度来感知外部的刺激。与汽车在高速路上行驶不同，一个螺旋式运动的物体不是笔直前进，而是通过改变在弯路上的速度来逶迤找到目标。

Crenshaw搞清了这种螺旋运动的机理，并帮助Nekton研发小组将这些机理应用于机器人的设计，实际上就是发明一项新的导航技术。“微型猎手由螺旋桨驱动，通过自动寻找光源、深水区、高压区或某一方位(如磁北)在三维空间航行。

Pell除了拥有美术硕士学位之外，还拥有从解剖金枪鱼到为美国国立博物馆自然历史馆制作恐龙展品的丰富实践经验，因此也是位雕刻家和生物学家，同时还兼任Nekton公司的科技副总裁。Pell说：“Nekton的微型AUVs正在改变人们研究海洋学的方式”，认为AUVs是“期待更多传感器最小化的基本平台”。

一旦装上大量的传感器，各种各样的水下机器人将会廉价并高效地从卫星、船只和航标上接收数据。这正是由生物学家、海洋工程师、机器人专家、物理学家和数字模型专家等组成的NektonResearch核心研发群体所希望的。这些微型的水下机器人目前潜水深度可达100米，最终将用于探索、工业和军事上的三维绘图。

由美国国防部高级研究计划局资助开发的这类机器人，在战场上可用于：检测可疑的化学武器工厂排放物，帮助清除水雷，探测微量污染物，检查水资源，甚至在运河以及灌溉水渠中漂游以搜集情报。

有意思的是，成立Nekton的初衷是为了制造一种叫做旋转鱼的浴缸玩具，这种玩具用橡胶制成，其形状和在水里的动作都非常像鱼。Pell是在1992年1月偶然获得这种外形设计的，当时他正在生物设计工作室与Wainwright制作鲐鱼和金枪鱼运动系统的三维工作模型。Pell回忆说：“这东西如此简单却有这等功能，我只看一眼就惊呆了。”Pell、Wainwright以及另外两位商业合伙人很快就为这一发现成立了公司。他们不久又制作了小丑鱼和大白鲨两种模型，在全美许多博物馆和养鱼礼品店展出或销售。从那以后，这家私人公司的创新过程一直以制作模型为主。Nekton的研究人员手工制作了许多生物体的三维工作模型．引入了“动觉”(即感知四肢和躯体运动的能力)这一发掘物体运动方式的新概念。对于以绘制草履虫模型起家的Pell来说，制作模型是他一生的追求。在艺术学院学习期间，他的工作室看起来很像发明家的实验室，里面摆满了和雕塑品一样多的机械零件、工具和装置。他说：“在有机体和机械装置的运动方式之间，在制作雕塑品和坐早飞机之间，我没有发现任何的区别。”在Pell的眼光看来，Nekton所做的一切正是艺术和科学的结合。

在“微型猎手”的制作过程中，研发小组最初计划在一个水缸里对模型进行试验，水缸装有6吨洁净的硅胶，以便接近浮游微生物的生活环境粘度。对草履虫来说，在水里游动非常困难，就像我们穿过冷冻的糖蜜一样。不过，在向水缸里灌硅胶之前，Nekton的工程师为了获得解释较低黏度介质(如水)的惯性效应的巧妙算法，把其中的一个模型投进了游泳池。为了复制细胞的定位机理，Nekton的工程师必须复制细胞定位无上下之分的特点，因为细胞本身几乎不受重力的影响。Nekton的研发副总裁JasonJanet说：“我们曾对能否这样做没有把握。”

经过多次尝试和完善，有人提出了通过开关电源来变换介质的想法，这一招果然奏效。最后，研发小组找到了一种纯科学的解决方法，这种方法使水下装置可以自动持续地跟踪外部信号，与草履虫对光或其他信号(如液体介质中化学物质的浓度)的定向极其相似。还有一种新的控制手段是在螺旋线不同位置的精细开关推进器。因此，操纵“微型猎手”有两种方式：一种是严格意义上的生物学模仿，另一种源于计算机模型设计，即：当推进器速度改变时，水下装置在水中作相应反应。Pell说，正是后一种方式“不仅使我们理解了动力(计算机模型设计)系统的重要性，而且还为我们今后在其他介质中进行的许多工作奠定了基础”。

在设计自动装置的过程中，Nekton努力吸收生物体运动的基本原理并加以编程应用到机器中。以草履虫为例，“微型猎手”就模仿了其运动的不屈不挠和无拘无束。自动装置由于在水下不停地运动，所以很难被发现。在游泳池进行的6次试验(每次3分钟)中，一位扮演水下守门员的前美国海军海豹突击队队员有3次未能阻止“微型猎手”大集群穿过他的防区游向作为目标的光柱。

“微型猎手”在未来很长一段时间（甚至永远）也不会成为一种武器。目前，它的智能仍停留在水下自动装置的水平上。在它上面安装传感器面临一个问题：支持所需传感器的电控器件的体积比70克的“微型猎手”本身还要大。

但Pell认为“微型猎手”的定位功能是可延展的，他并在众人面前展示了一个长8厘米，重7克的试验模型和一个长30厘米．重700克的实物，该实物装有可以测量三维的加速度、磁场以及其他参数的传感器。不久将增加对水下机器人发布运动指令的遥控程序等新功能，同时，带传感器阵列的AUVs不仅可以单个投放而且可以集群投放。

如果Nekton的“铁家伙”在海洋中真的变得跟鱼一样灵活自如，可能会出现另一个问题：由于体积小，它们可能会被误认为是鱼饵。对于这一挑战，Pell欣然接受。

【范淑霞／译 曾少立／校】