香港大學機器魚打破50米游泳吉尼斯世界紀錄！水下停留8到12個小時，可用于溺水救援 | 專訪

提起自己參與研發(fā)、并創(chuàng)下吉尼斯世界紀錄的機器魚 SNAPP，該團隊的創(chuàng)始成員之一穆罕默德?薩德?沙希德?安維爾（Muhammad Saad Shahid Anwel，下稱薩德）告訴 DeepTech。
SNAPP 由香港大學機械工程系研發(fā)，目前還保持著一項于 2020 年創(chuàng)下的吉尼斯世界紀錄：游完 50m 的水下路線只需耗時 22.92 秒，這打破了 “機器人魚最快 50m 游泳” 的記錄。
這比曾在 2008 年北京奧運會一人獨攬 8 枚金牌、并打破 4 個游泳項目世界紀錄的菲爾普斯還快。另據(jù)悉，該記錄在香港大學霍英東游泳池完成。
具體來說，相比人類游泳者在國際游泳聯(lián)合會（FINA）認可的長距離游泳池中創(chuàng)造的世界紀錄，機器魚超過了男子 50 m 仰泳（24s）和 50 m 蛙泳（25.9s）、女子 50 m 自由泳（23.67s） 、以及 50 m 蝶泳（24.43s）和 50m 仰泳（26.98s）。
該項目的首席研究員、來自香港大學機械工程系的 Timothy Ng 表示：“除了塞薩爾?西埃洛（Cesar Cielo，男子 50 米自由泳 - 50 米池世界紀錄保持者）以外，我們已經(jīng)超越了大多數(shù)奧林匹克游泳運動員，后者在 20.91 秒內(nèi)游泳 50 米?！?/span>
因此，SNAPP 是迄今為止最快的機器人魚類，其以 2.18 米 / 秒的速度突破了人類游泳所熟知的科學界限。

如上圖所示，SNAPP 采用模塊化設計，為的是便于維護、維修和定制。它的浮力可通過增加身體組件來增加，其防水性能得益于它使用了丙烯酸管和O 型圈。
它還使用 433MHz 低頻無線電，所以能更好地穿透水下信號。結(jié)構上，SNAPP 采用蘇格蘭軛（Scotch Yoke），并使用聚乳酸（PLA）材料，以 3D 打印制作而成，總成本大約 641 美元。
由于使用機械鰭來移動，這不同于常見的螺旋槳工作原理，因此可防止被水下植物纏繞。此外，它使用鋰離子電池供電，能在水下停留 8 到 12 個小時。
SNAPP 的波動頻率為 4Hz，尺寸為 880 毫米（長）x 75 毫米（寬）x 300 毫米（高），質(zhì)量為 5 千克，并由 150W 的電機供電。
它能快速游泳的原因之一，在于魚尾設計的靈活性，如下圖其魚尾就像一個彎月，這種弧度是靈活性的來源之一，并能在水下推動其前進。

自立項起，共有幾十人參與 SNAPP 研發(fā)，并孵化出一個名為 BREED Robotics 的機器人技術團隊，該團隊隸屬于香港大學，團隊主要創(chuàng)始人有 Timothy NG 等人。

港大機械工程系助理教授張富則是該項目的導師，他表示：“通過在機器人魚上添加視覺系統(tǒng)和控制算法，我們希望我們的魚能夠在水下任務中充當搜索救援機器人的角色?！?/strong>
研發(fā)過程中，該團隊努力在速度、重量、耐用性和可靠性之間尋求平衡，SNAPP 的設計也經(jīng)歷了翻天覆地的變化。
如下圖所示，五年間，它的魚身和魚尾都經(jīng)歷了多次迭代。最初的魚身是圓柱狀，到最后成為尖銳的橢圓柱狀。
魚尾則經(jīng)歷從弧狀、到“脊椎骨”狀、再到弧狀的迭代。
在嘗試使用 “白魚”“肥金槍魚” 和 “黃尾” 等不同原型進行了幾次失敗的嘗試之后，該團隊最終設法將不銹鋼灌輸?shù)搅酥亓扛p的 3D 打印塑料中，并開發(fā)出了目前版本。

SNAPP 的外形很薄，可以在 0.5 米深的淺水區(qū)工作，可以穿過海底巖層，更可以穿過狹窄的裂縫。由于重量輕，阻力小，它能在 0.8 秒內(nèi)加速到最大速度，并且可以用尾鰭進行急轉(zhuǎn)彎。
在 48 伏、5000 毫安時的電池幫助下，它能以高速間歇性游泳 3 小時，并能在 6 小時內(nèi)維持 1 米 / 秒的巡航速度。
目前，SNAPP 還具備電氣功能和軟件功能，例如控制器、反饋系統(tǒng)和方向控制系統(tǒng)，未來還將擁有伺服鰭片和水下攝像頭檢測功能。

據(jù)悉，該項目最初由一名港大學生發(fā)起，2017 年底 Timothy Ng 接任了項目負責人的職務，并將這條魚帶到了目前的創(chuàng)紀錄水平。
談及研發(fā)過程，他表示：“最大的挑戰(zhàn)是如何開始創(chuàng)造創(chuàng)紀錄的魚類。我們選擇復制一條魚的自然運動，這是機器人過去試圖避免的事情，但是我們認為這是一條值得探索的途徑。”
持續(xù)幾年的付出，也讓該團隊獲得了由港大工程學院譚榮范創(chuàng)新部舉辦的第三屆 InnoShow 的 “ InnoShow 獎項目”，以及 “第六屆香港大學生創(chuàng)新與創(chuàng)新獎” 的亞軍（這是由香港新生代文化協(xié)會和香港科技園公司舉辦的創(chuàng)業(yè)大賽）。
可以 2.3 米 / 秒的速度游向溺水者
該機器魚具備搜尋救援、監(jiān)測水質(zhì)、以及在水族館提供娛樂的功能。
由于具有較好的水下移動性，并且能在沒有救生員的情況下，提供浮動支撐和拖曳能力。因此 SNAPP 非常適合進行救援和搜索。

當與基于人工智能的視覺系統(tǒng)集成、并使用空中無人機時，它可以形成一個強大的系統(tǒng)，為空襲和水中的受害者提供搜索和營救。
2018 年，為營救被困泰國洞穴的少年足球隊成員，前泰國海軍海豹突擊隊隊員庫南（Saman Kunan）不幸犧牲。該團隊表示，如果能夠使用 SNAPP，這場犧牲本可以避免。
據(jù)世衛(wèi)組織估計，全球每年有 32 萬人死于溺水。在 2012-2016 年，香港報告了 193 例意外溺水死亡病例，其中 66% 的死亡事故發(fā)生在沒有救生員的情況下。
在演示試驗中，救生員對 SNAPP 在游泳池中的表現(xiàn)感到驚訝。他們稱 SNAPP 的快速執(zhí)行力可以很好地幫助挽救生命，因為在溺水情況下，時間就是生命，而 SNAPP 的快速運動能力，正是溺水救援所需要的。
也因此，SNAPP 的常見部署地點是擠滿游客的海灘，一旦有人出現(xiàn)溺水，在確認掙扎中的受害者身份后，SNAPP 可以 2.3 米 / 秒的速度游向現(xiàn)場。到達后，SNAPP 為受害者提供漂浮支持。
如下圖所示，一旦受害者得到保護，SNAPP 會以巡航速度將受害者拖回岸邊，此外它還能提供足夠的浮力，來支撐一個重達 80 公斤的人漂浮在水面上。

另據(jù)悉，它能在沒有救生員的情況下提供浮動支撐和拖曳能力，還可作為潛水員的 “寵物”，為他們攜帶氧氣罐等重要設備。當潛水員陷入水流中，可將他們從水中拉開。
也可解決海洋污染和保護海岸線
在檢測水質(zhì)方面，該團隊正在研究使用 SNAPP，來解決海洋污染和偵察水下垃圾的問題。

在海底的 SNAPP，可將其位置傳遞給相關收集器，也可被部署到定期流域中，對水樣進行采集和水質(zhì)監(jiān)測，如檢測海底微塑料等。
同時，大多數(shù)海洋尚未為人類所見，SNAPP 還可幫助保護海岸線、以及保護公共海灘免受鯊魚侵害，同時可以監(jiān)管水域邊界。

雖然 SNAPP 還無法與天然魚的游動速度相提并論，但它模仿了真實魚的運動和輪廓，因此能很好地適應海洋環(huán)境。它的動作步態(tài)和真實的魚一樣，發(fā)出的聲音很小，可將水下聲污染降至最低。
未來，該團隊通過胸鰭去改進 SNAPP 的俯仰控制和橫搖控制，從而讓其在動蕩的水下環(huán)境中更加機動。
此外，他們還將給其增加識別能力和通信設備，以便主動找到受害人。最后，會通過特別方法，以便在救援時像人工救生員那樣，將失去知覺的受害者抬起來，并把他們帶回安全地點。
薩德告訴 DeepTech，SNAPP 還在持續(xù)更新中，并將于今年九月更新最新技術細節(jié)。