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学生创意为机器人插上翅膀
课题组成员在展示“机械鱼”。蔡月日 摄 走进北京航空航天大学机器人研究所，一个长着两扇翅膀的机器鱼模型格外引人注意。这条“鱼”有着漆黑的外壳，乳白色半透明的橡胶翅膀，还有一条蒲扇尾巴。它在水里“畅游”的时候，远看就像一条巨型蝌蚪，优雅轻捷，活灵活现。
这条外形奇特的“鱼”，是国家“８６３”计划项目课题“全柔性仿生水下机器人研究”的产物，你可能想象不到，这个课题的原始创意竟来自于一个大三学生的突发奇想。
从蝠鲼鱼想到“机械鱼”
把稚嫩创意变成设计图纸
“这个课题的原始创意是一个学生提出来的。他当时是我校航空工程与科学学院大三的学生，叫刘聪。有一天他在海洋馆看到一种叫蝠鲼的鱼，游动靠拍翅膀，他就设想能不能让机器人也像蝠鲼那样拍着翅膀在水里游动呢？”
谈到刚刚申请到的国家“８６３”项目，北京航空航天大学机器人研究所所长毕树生教授讲起刘聪的故事，“我之前做过扑翼式机器人的研究，刘聪就来找我，想让我指导他。我觉得很有意思，就给了他３０００元研究经费，还找了个博士生帮他。”
能够获得毕教授的支持，刘聪很兴奋。从２００５年１１月开始，他找了两个同学帮忙，开始设计。他们把这个课题命名为“机械蝠鲼——水下仿生机器人研究”。
遇到的第一个困难不是别的，是时间不够。那时刘聪读大三，学院虽然没有期中考试，但平时作业很多，每周要上３０小时的课，设计机器人只能利用晚上的时间。
课程这么紧，设计机器人会不会耽误学习？在刘聪看来，还是自己热爱的机器人重要，即使到了期末考试，他也不肯把机器人的事放下来。
虽然刘聪以前做过航模，但真正做起机器人来，上手还真不容易。设计要看图，画图，加工，考虑材料，各个方面都要涉及，非常精细。虽然这些知识课堂上都讲过，但“那是分５个学期上的，很多东西都忘了”。更难的是，“你设计时需要把这些知识都串起来，这就需要能力”。
没有别的办法，要想解决问题，就只能重新学习。刘聪一边设计，一边把以前学过的知识慢慢拣起来。“这还不够”，刘聪说，“我得经常去图书馆查资料，还要看其他工具书。”
做机器人研究可不是光看书就行的，经验也很重要。好在毕教授介绍的博士师兄——徐一村一直在热心地帮他。每周，刘聪都会拿着自己的设计去找徐一村请教。徐一村总会帮他找出不足，解决一些他不能独立完成的细节。
设计时还要用到一些专业的软件，这可是在课堂上从没学过的。“在设计过程中，你会被强迫去学很多东西”，说起这些，刘聪不仅没有无奈，反而很兴奋，“越是有挑战，就越是有动力。”
“当初以为几周就能搞定呢，没想到用软件去设计，就花了我３个月时间。”快放寒假时，刘聪的设计终于完成了。“如果是现在，只要两个星期就可以搞定。不过话说回来，如果没有这３个月的苦练，也没有现在的熟练。”刘聪笑着说。
从设计图纸到实物模型
下水实验一波三折
寒假后回到学校，刘聪开始动手做模型。然而，第一步就遇到了难题。
按照计划，首先要做一个外壳出来，翅膀、内部设备等下水实验之后再安装。刘聪决定用两片玻璃钢来合成这个外壳，但由于这种玻璃钢研究用得很少，校内工厂不给生产。
这怎么办？不能卡在这里啊！刘聪必须自己想办法。这对一个没有社会经验的在校生来说，有点困难。但他没有抱怨，马上联系校外多个工厂。经过比较，他选择了一家加工费最少的。两周后，玻璃钢外壳造出来。“在这个过程中，你会遇到很多人际交往问题，很锻炼人。”刘聪说。
模型做好后，接着就要下水试验了。是否进水是模型下水实验的核心问题，能不能把这个问题解决好，是进行下一步试验的关键。
第一次让模型下水，刘聪认真地给模型涂上了一层密封胶。尽管如此，他还是做好了进水的心理准备。他把外壳在水里泡了一上午，打开看时，发现里边只有少量的积水。欣喜之余，刘聪开始为模型的第二次下水做准备。
第二次，刘聪换了一种密封方式。他在外壳的密封圈上围了一层橡胶垫。下水后，不到一分钟，水就在模型中“哐啷”作响。失败了！不过，这次失败让刘聪有了个不小的收获：还是涂胶密封比较严实。这种密封方式也延续使用在后来的“８６３”项目上。
随着下水次数的增多，刘聪给外壳打胶密封的技术也越来越成熟。但是，不管怎么改进，进水现象依然存在。“每次用管子往外壳里吹气，每次都有气泡，证明肯定进水了。”这个问题不解决，下一步安装的驱动设备，尤其是电机就会受潮，可能影响运转。想来想去，刘聪换了个思路，决定绕过这个问题。
他像安装屋顶吊灯那样，把驱动设备吊在模型的上半壳上，这样电机就沾不到渗入下半壳里的水。不仅如此，刘聪还在模型外壳上凿了个洞，盖上盖子，每半个小时就把模型拿上来，打开盖子把水倒出来，这样“鱼”就可以继续游了。
解决了这个问题，刘聪开始把所有驱动设备按设计像搬家一样一件一件地往模型中放。
驱动设备中的电机是一个很重要的元件。“购买一台合适的电机是最操心的，一方面要考虑资金问题；另一方面，电机功率对‘机械鱼’的游动速度有一定影响，也必须考虑。”刘聪说，一款德国的新电机要花２０００多元，我们总共的经费才３０００元，又不能买个太差的。“我跑到西四电子市场淘了个旧的，才８０多，功率也比较大。”刘聪相当得意。
内部设备安装完后，刘聪给“机械鱼”插上了一对塑料板翅膀，这样一个新奇的“生物”就诞生了！接着，“机械鱼”要开始“跳龙门”了。
对于机器人来说，能动，才算机器人；不能动，当玩具都不够格。在设计之初，刘聪就在担心，最后制作出来的“机械鱼”能动吗？它会不会出现向上拍翅膀头往下沉，向下拍翅膀头朝上翘，就是不往前走的情况呢？
真正的下水实验就要开始了。“五一”之后，刘聪和两个同学一起，带着心爱的宝贝忐忑地来到了学校莲花池旁的一个小水泥池边。
“机械鱼”动了！面对这一刻，刘聪很兴奋：“结果终于没让我失望”。但是，马上又出现了意想不到的情况。“游是能游，就是走不直，游个一两米就拐到一边去了，一点办法都没有。”这是怎么回事？刘聪对问题的原因已猜到了八九分，只是不敢肯定。后来向老师请教，发现看法和自己的一样：原因是“机械鱼”没有舵机，必须加一个舵机。
刘聪这时却感到很轻松，因为他“在设计时就为舵机预留了空间”。舵机是用来控制方向的，有的东西变向需要舵机，有的不需要。比如飞机拐弯就不靠舵，当它想向右拐时，就让右边变低，再让飞机的头抬起来，便能实现向右拐了；而船则需要舵来改变方向。“我想模仿飞机，于是做模型时就没有加舵，但是我预留了空间，现在加上就可以了。”
接下来的改进很容易。加上舵机之后，“机械鱼”就能直走了；再把舵和电机连起来，就能拐弯了。做了几次试验后，“机械鱼”开始接受北航“冯如杯”学生科技竞赛的验收，２００６年６月结果出来了：“机械鱼——扑翼式仿生潜水器”获得了一等奖。
从“机械鱼”到国家“８６３”项目
眼中的玩具意外升级
刘聪没有想到，“冯如杯”竞赛结束了，他的“机械鱼”却远没有结束。
暑假回校后，师兄徐一村乐呵呵地跑来告诉刘聪，我们就要申请到一笔经费了！原来，刘聪的“机械鱼”被毕树生教授相中，决定以此为基础，开发出一种全柔性仿生水下机器人，这个项目已经获得了国家“８６３”计划的支持，得到了７０万元的资金资助，而刘聪也成为这个课题组的一员。
“当初觉得那只是个玩具，只是放在展台上让人看看，没想到竟和国家‘８６３’计划扯上关系了。”对于自己本科还没毕业就能参与科研，本科成绩并不拔尖的刘聪感到十分庆幸，但也觉得理所当然：“毕竟我努力的时候，很多人在玩呢。现在他们努力考研，而我已经进实验室了。”
刘聪的“机械鱼”还很原始，驱动都是刚性的，有摩擦，能耗大，这样肯定没法应用。如果把它变成柔性的，利用机器人胸腔的挤压运动来带动翅膀的柔性运动，没有摩擦，噪音就会很小，能耗也不大。
按照这个目标，“全柔性仿生水下机器人”主要应用在对环境扰动小、低能耗的领域。在军用方面，可用作水下侦察、诱饵、扫雷等领域；在民用方面，可作为水下安全检查、水文观测、海底地质探测、辅助海底养殖等水下机器人工具。
把“机械鱼”的驱动方式变成全柔性，这是一个全新的发展方向，填补了国内空白。从文献上看，目前世界上只有日本在进行这方面的研究。“这个创意很新颖，但是国内外没有经验和技术可以用来借鉴，要凭借自身的创造力才能实现，困难会有很多。”毕树生教授说。
北航所做的“全柔性扑翼式仿生水下机器人”的研究，就像一个婴孩刚刚丢开大人的手，独自学习走路一样，困难、勇气与意义同在。明年１２月份，这条鱼真的能像鸟儿挥动翅膀那样，轻柔地在水里游动吗？让我们拭目以待。
三个意料之外（采访手记）
在带着好奇前往北航时，想象着北航的机器人一定形态各异，阵容庞大；并且放置在一个宽敞、隐蔽的大厅里，更有变形金刚擎天柱般的威武神奇。
走进实验室，我看到的却是一些形同打印机甚至是玩具的粗陋机械。体形不大的机器人只是凌乱地摆在实验室内沿墙而筑的长台上；更令我诧异的是，此课题的工作平台不过是几张拼在一起的桌子以及放在桌上的几台电脑。
与“先闻其事，未见其人”的刘聪接触前，我猜想他定是个沉静乖巧、成绩优异的标准生，整天沉浸在书山学海之中。
交流后发现，他很活跃，说话的语气甚至容易让人联想到“玩世不恭”这个词；不仅如此，刘聪的成绩也很一般，考试目标是能过就行。对于科技研究他还说不出个所以然来。
在众人眼中，科技创新如阳春白雪，和者甚寡。而北航一年一度的“冯如杯”学生课外科技大赛却办得相当火。刘聪骄傲地向我介绍，参赛的主力军是大三学生，一个班往往有２／３左右的人参赛，规模和影响都非常大。不少校内教授和校外企业都来这里相千里马。(赵亚辉 高佩)
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发表于 2007-12-16 22:50
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