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仿生鱿鱼“打卡”北太平洋,背后有一群校园“遛”鱼人

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发表于 2021-4-1 12:04:31 | 显示全部楼层 | 阅读模式
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蓝色的北太平洋上,一只棕红色的鱿鱼正滑动着两边的尾鳍,十根触须灵活地在水中摆动,一会儿在海面上浮游,一会儿潜入海中。2021 年初,上海海洋大学机器鱼创新团队所研制的仿生鱿鱼机器鱼第一次 " 游 " 入了大海,并顺利完成 300 米水下探测的任务。谁又能想到,这只拥有曼妙身姿的鱿鱼,竟然是一只仿生机器鱼;更没有人会想到,这只活灵活现的机器鱼,竟是出自一群在校大学生之手。
4 月中旬,这条 " 仿生鱿鱼 " 将参加第十七届 " 挑战杯 " 全国大学生课外学术科技作品竞赛,这一被誉为当代大学生科技创新的 " 奥林匹克 " 盛会,近年来每届比赛都吸引了 1000 多所高校、200 多万大学生来展示创新风采。


【不仅是一条会 " 游泳 " 的鱼】
除了模仿鱿鱼的生物游动机理,完成结构稳定性测试、功能性测试等,这只仿生鱿鱼还搭载了水质参数传感器、水下集鱼灯、水下摄像头等,获取了不少的数据。从 2006 年创建上海海洋大学机器鱼大学生创新团队以来,学生动手研制的机器鱼已经有了 30 多种:机器鲨鱼、机器海龟、机器蝠鲼、机器海蛇、机器鱿鱼等。每每提到机器鱼,上海海洋大学机器鱼大学生创新团队负责人、上海海洋大学海洋科学学院院长陈新军都会很自豪。
机器鱼大学生创新团队的核心指导教师、高级工程师孔祥洪十多年来一直在仿生机器鱼设计与制作领域不断研究与突破,在指导学生研制机器鱼方面她投入了大量的精力。一天五六个小时的睡眠,对她来说早已习以为常。
" 这是多功能水中探测机器狗鱼,获得第七届全国大学生创新创业年会金奖。这是机械海龟,获得第四届全国机器人创意设计大赛 TRCC 机器人仿生项目冠军,第四届全国海洋航行器设计与制作大赛一等奖…… " 孔祥洪一边介绍,一边抱出一大堆仿生机器鱼:可多自由度游泳的机械海蛇、肌肉摆动游泳的机械蝠鲼、尾鳍上下摆动游泳的机械海豚……让人眼花缭乱。令人赞叹不绝的是,它们在水中游动的姿态竟然和真鱼几乎无异:遇到障碍能自动回避,钻进狭小空间也能灵活自由游出。还有让人叹为观止的是,它们还装着各种机械装置和传感器,可以向控制中心回传相关的各种数据。


" 在水文勘察和水文环境监测时,如果能有一只仿生机器鱼‘混’入鱼群,既不会惊动鱼群,又不会对生态环境造成影响,反而能带回大量的数据。人类也无须冒着生命危险去采集数据,这可是一件大好事。" 孔祥洪说。
但要做好 " 肌肉控制 " 的仿生机器鱼,又谈何容易!它涉及多个学科的知识点,又特别强调知识的活学活用和动手能力。起点高,难度大,造成了很多本科生乃至研究生都 " 不敢高攀 "。而一群以 "00 后 " 为主的机器鱼大学生创新团队,却牢牢盯住了仿生机器鱼,成为他们的创新目标。
【一群校园 " 遛 " 鱼人】
创新团队的成员是多学科交叉融合。每天下午 4 点半下课铃声一响,同学们便扎进了实验室。在实验室里,同学们并不孤单:同伴们有的在画图纸,有的在测试电路,有的在安装设备,有的在检测材料。虽然来自不同学院、不同年级,更有着不同的专业背景,但 " 机器鱼 " 把他们牢牢地拴在了一起。每每到了深夜,大家才开始恋恋不舍地离开实验室。
机器鱼调试好,就随手放在旁边的水槽里测试。哪里出问题了,可以立即捞起来马上检查。但要获取项目精确数据,仅仅在实验室里做研究还不够,必须要到池塘里下水测试。大家觉得差不多了,就会把鱼拿到校园里的镜湖去游一游。学生们戏称为 " 遛 " 鱼。


" 遛 " 鱼可比遛猫遛狗难多了。鱼没有按照设定的程序游,或者游的 " 姿势 " 不甚理想,或是没有达到理想的效果,都得捞出来看一看,修一修。" 实验虽然困难重重,也会不断出现新的问题,但是学生们的毅力确实让人钦佩。" 项目团队指导老师海洋科学学院初文华老师说道。初文华老师在备赛的过程中给予同学们关心,认真思考每个备赛细节,更是同学们的 " 好伙伴 "。
在比赛前夕,学生们往往会在湖边通宵达旦地干。有一年冬天,仿生鱿鱼做下水测试时遇到了降雨降温,为了方便操作,成员们都没有穿雨衣,顶风冒雨在水池中进行测试。" 现场发现问题,就要现场维修,修不好再回实验室去,修好了再拿回来测试。" 就这样,日复一日,年复一年,用学生的话来说—— " 只为克服一个又一个的难题。"
【打造学生 " 第二课堂 "】
" 动手尝试自己解决问题,学科交叉性强。" 这是创新团队最大的特点。机器鱼的研制涉及数学、力学、物理学等十个一级学科,对学生的综合性素质要求非常高。就拿鱿鱼来说,它是海洋生物中游泳行为最复杂的品种之一,一般鱼类的行为就 1-2 种,而鱿鱼的游泳行为至少有 4 种。同时,相较一般鱼类,鱿鱼身体结构更为复杂。因此,仿生鱿鱼就是一个非常难的技术问题。
通过各学院选拔出来的团队成员,本身就有学习热情,创造和创新意识也非常强。他们在面对问题时,可以自主思考,先尝试独立解决问题。这种模式也彻底打破了教师上课 " 满堂灌 " 和学生上课 " 被动学 " 的问题,学生可以围绕学科竞赛作品,去找文献、找书本、找老师、找所要掌握的基本知识和基本技能。上海海洋大学海洋资源与环境专业的大四学生勾艺萌,大一下学期就加入了创新团队。" 刚进去时,什么都不懂。后来在老师的帮助下,在和同学的合作中,每遇到一个问题,每一次参加比赛,每一次动手制作的过程,都学习到不少东西,很锻炼人。"


而在团队中,也培养了他们分工、合作、协调的团队精神,全面提高了学生综合素质和动手能力。备赛的过程困难重重,寻求资源、试水场地、借用设备、协调师生时间 ...... 项目指导老师海洋科学学院张忠老师谈到 " 同学们都是利用课外课余时间进行创新、进行实验,需要解决各个方面的问题,这也培养了学生们团结协作的精神。"
创新团队集合了流体力学、工程设计、电子通信等多个学科的师资力量,指导老师紧跟结构、材料、控制系统等各个环节,在实物制作、论文撰写等方面投入了大量精力,大家共同帮助团队解决技术、资金、材料等方面难题,经常是一忙就干到凌晨两点多。" 备赛很辛苦,需要花很大精力,经常要熬夜,但有时花了这么大精力去参赛,也会失败。" 学校信息与计算科学专业的大四学生张英,大二时加入创新团队,她说:" 这种经历磨炼了自己面对失败的接受能力,也促使我更加主动地去学习。"
就是这样的 " 课堂 ",促使机器鱼研发水平不断提升。十几年来,逐渐形成了一系列高效率、低能耗、多功能及共融性好的高水平机器鱼作品。除了拿奖拿到 " 手软 " 以外,还涌现出了一批科研学习能力与实践能力兼具的优秀本科及研究生人才。参与创新团队的学生每年升学率达 90% 以上,其中保研直升率高达 80%。
栏目主编:徐瑞哲 本文作者:李蕾 蔡霞 文字编辑:李蕾 题图来源:受访学校提供
文中图片:受访学校提供

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