文献综述
1机械鱼侧线系统的发展背景
海洋是人类生存不可或缺的一部分。自古以来，人们都致力于海洋环境的研究探索。可到了深水区，由于光线、水压等一系列的问题，探索过程也进入了攻坚区。不过，随着科技的不断发展及人类的不懈探索，人们从鱼类的身上获得了启发。在环境复杂、光线暗淡的水下，鱼类几乎无法使用其视觉器官。如此这般，它们又是依仗什么生存下来的呢。接着人们发现鱼类靠着侧线系统来获知水流中的各项信息。基于鱼类的这一特性，水下机器人投入实践之中，研究也获得了很大的进展。在这之后，为了更好的提高水下机器人的工作效率，“升级版”的水下机器人——机械鱼诞生了！机械鱼人工侧线系统的研究也得以开展。
鱼类之所以能在水中灵活地生存，全依靠着它发达的感知系统。在深水区，水波、折射等一系列问题的都对科研人员的研究造成很大的困扰。而如何使机械月能更好的进行探索研究也是当前的一大难题。为了模仿鱼类侧线对于环境的感知，使得机械鱼在水中能像真鱼一般，“人工侧线系统”的研究也开始了。人工侧线系统使得机器鱼对水下压强变化进行感知，建立一种新的机器鱼复杂环境感知的方法，提高了机器鱼在水下环境感知灵敏度，对于水下障碍物的躲避与路径规划提供了更加精准的测量与控制标准，使得机器鱼在水中能实现复杂而又精确的位姿控制，保证机器鱼实现水下复杂任务的顺利完成。
部分鱼类和水生物在水下无光照等恶劣的环境下都能用侧线系统作为主要的感知器官来探测周围的环境。一个侧线系统包含很多纤毛感知细胞，也叫神经丘。每个神经丘都包含多束感知纤毛，这些神经丘可以分为2种：体表神经丘和侧线管神经丘以及体表神经丘主要分布在鱼类体表。当水流和鱼体表面发生相对运动时，位于体表的纤毛细胞产生倾斜，引起纤毛细胞下面的神经元产生神经冲动，因而对水流产生了感觉。侧线管神经丘位于鱼类的表皮下的侧线管中。其对加速度敏感，响应高频分量，能感觉压力梯度，相当于压力梯度传感器。相邻小孔之间存在流速梯度时，会产生压力差，压力差导致侧线管内液体运动，触动神经丘突起上的感觉毛，从而产生神经冲动，最后通过神经脉络传输到神经中枢，因而侧线 管神经丘能够对压力产生感觉。侧线系统可以让水生物探测周围感兴趣的物体并且可以描绘出周围水环境的情况，特别是在距离水生物一到两倍体长的范围内。正因为侧线系统优越的水环境感知能力，水生物很多行为习惯都与侧线系统有直接关系，例如捕食者和食物探测、群居行为、趋流性、交配行为和物种交流等。另外侧线系统也可以 对水生物行为进行定量分析，有些学者研究了信息是怎样在神经系统中编码和译码的。人造水下机器人目前主要依靠超声波和视觉图像感知周围水环境信息。通常水下航行器是通过多普勒分析仪来感知水流信息。多普勒分析仪能测量全局水流速度，同时它的数值会被用到导航系统里面来补偿漂移。相对于水生物高密度分布的侧 线系统，多普勒分析仪不能探测局部水流。同时多普勒分析仪相当昂贵，笨重的仪器还需要耗费大量的能量，不适合小型水下机器人使用。流体传感器的组成大多模仿鱼类纤毛细胞设计实现的，结构上通常由一个刚性的硅质悬臂梁固定在感知器末端，来充当神经纤毛束，压力应变片水平固定在悬臂基座上，一端与悬臂梁相连接，另一端与检测电路相连接。当水流流经感知器表面时，带动悬臂梁发生倾斜，带动与之相连的压力应变片发生形变。压力应变片发生形变会导致电阻发生变化，最终通过检测电路检测，确定悬臂梁的倾斜情况，来实现对流体流动方向和强度的感知。
2.2现状
特温特大学学者从鱼类侧线得到启发，研制出基于微型机械分布式流体传感器的鱼类侧线感知器。感知器运用显微结构技术设计而成，具备一定的感知能力，但只是在理论上分析了构成侧线系统的可行性，并未在实验中验证其对水流的感知作用。伊利诺伊大学学者模拟研制出一种仿生人造纤毛细胞感知器，并在稳态层流和振荡流里进行了实验，能够感知流体流速，并达到一定的精度。佛罗里达大学学者运用压力传感器来评估作用在水下航行器上的流体水动力，通过附加信息来简化建模过程和提高开发水下定位能力。密歇根州立大学和美国西北大学的人造侧线定位研究能在装置固定的情况下对周围障碍物进行定位，并能达到一定精度，在侧线感知研究取得了一个重大突破，开创了一种新的定位思维和方法。爱沙尼亚塔林理工大学学者在机器鱼上安装压力传感器阵列，通过压强的变化规律来评估流体速度，拟合流体速度与压强之间关系，并通过压强传感器对流体的感知信息来控制机器鱼的位置保持。 这些研究能通过感知系统对周围变化的流体进行感知，能够感知到流体信息，估计流体的方向和速度，对流体力学的研究起到推动作用。但是离真实鱼类侧线还有很大差距，其稳定性，精确性需要进一步保证。
目前在国内，相对于国外侧线系统的研究，国内对人工侧线系统的研究开展较晚，还处于起步阶段，多集中于理论研究。上海海洋大学研究所针对鱼类侧线系统展开了研究。通过光镜和扫描电镜在行为学和组织学上观察了暗纹东方鲀的侧线系统，描绘了东方鲀的侧线分布[14]。国内关于人工侧线系统的研究起步较慢，关于流体的感知和机器鱼侧线系统的设计应该加快步伐，设计出更加实用和先进的侧线系统，推动机器鱼感知技术的发展。
资料编号：[676703]
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