香港大學機器魚打破50米游泳健力士世界紀錄!水下停留8到12個小時,可用於溺水救援
2021年05月07日10:42

  “我們正在努力創建一個類似於波士頓動力的組織,不過是在亞洲!”

  提起自己參與研發、並創下健力士世界紀錄的機器魚 SNAPP,該團隊的創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。

圖 | 快速遊動的 SNAPP(來源:SNAPP 團隊)
圖 | 快速遊動的 SNAPP(來源:SNAPP 團隊)

  SNAPP 由香港大學機械工程系研發,目前還保持著一項於 2020 年創下的健力士世界紀錄:遊完 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。

圖 | SNAPP 獲得相關健力士世界紀錄視頻截圖(來源:香港大學)
圖 | SNAPP 獲得相關健力士世界紀錄視頻截圖(來源:香港大學)

  這比曾在 2008 年北京奧運會一人獨攬 8 枚金牌、並打破 4 個游泳項目世界紀錄的菲爾普斯還快。另據悉,該記錄在香港大學霍英東游泳池完成。

圖 | 也可慢速遊動(來源:SNAPP 團隊)
圖 | 也可慢速遊動(來源:SNAPP 團隊)

  具體來說,相比人類游泳者在國際游泳聯合會(FINA)認可的長距離游泳池中創造的世界紀錄,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)。

圖 | 測試遊速(來源:SNAPP 團隊)
圖 | 測試遊速(來源:SNAPP 團隊)

  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,我們已經超越了大多數奧林匹克游泳運動員,後者在 20.91 秒內游泳 50 米。”

  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。

 圖 | SNAPP 的設計圖(來源:SNAPP 團隊)
 圖 | SNAPP 的設計圖(來源:SNAPP 團隊)

  如上圖所示,SNAPP 採用模塊化設計,為的是便於維護、維修和定製。它的浮力可通過增加身體組件來增加,其防水性能得益於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。結構上,SNAPP 採用蘇格蘭軛(Scotch Yoke),並使用聚乳酸(PLA)材料,以 3D 打印製作而成,總成本大約 641 美元。

  由於使用機械鰭來移動,這不同於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),質量為 5 千克,並由 150W 的電機供電。

  它能快速游泳的原因之一,在於魚尾設計的靈活性,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,並能在水下推動其前進。

圖 | 顏色豔麗的 SNAPP(來源:SNAPP 團隊)
圖 | 顏色豔麗的 SNAPP(來源:SNAPP 團隊)

  自立項起,共有幾十人參與 SNAPP 研發,並孵化出一個名為 BREED Robotics 的機器人技術團隊,該團隊隸屬於香港大學,團隊主要創始人有 Timothy NG 等人。

 圖 | 該團隊的成員(來源:SNAPP 團隊)
 圖 | 該團隊的成員(來源:SNAPP 團隊)

  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。”

  研發過程中,該團隊努力在速度、重量、耐用性和可靠性之間尋求平衡,SNAPP 的設計也經曆了翻天覆地的變化。

  如下圖所示,五年間,它的魚身和魚尾都經曆了多次迭代。最初的魚身是圓柱狀,到最後成為尖銳的橢圓柱狀。

圖 | 魚身的多次迭代(來源:香港大學)
圖 | 魚身的多次迭代(來源:香港大學)

  魚尾則經曆從弧狀、到“脊椎骨”狀、再到弧狀的迭代。

 圖 | 魚尾的多次迭代(來源:香港大學)
 圖 | 魚尾的多次迭代(來源:香港大學)

  在嚐試使用 “白魚”“肥金槍魚” 和 “黃尾” 等不同原型進行了幾次失敗的嚐試之後,該團隊最終設法將不鏽鋼灌輸到了重量更輕的 3D 打印塑料中,並開發出了目前版本。

 圖 | 給 SNAPP 安裝零件(來源:SNAPP 團隊)
 圖 | 給 SNAPP 安裝零件(來源:SNAPP 團隊)

  SNAPP 的外形很薄,可以在 0.5 米深的淺水區工作,可以穿過海底岩層,更可以穿過狹窄的裂縫。由於重量輕,阻力小,它能在 0.8 秒內加速到最大速度,並且可以用尾鰭進行急轉彎。

  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,並能在 6 小時內維持 1 米 / 秒的巡航速度。

  目前,SNAPP 還具備電氣功能和軟件功能,例如控製器、反饋系統和方向控制系統,未來還將擁有伺服鰭片和水下鏡頭檢測功能。

圖 | SNAPP 尺寸為 880 毫米(長)x 75 毫米(寬)x 300 毫米(高)(來源:SNAPP 團隊)
圖 | SNAPP 尺寸為 880 毫米(長)x 75 毫米(寬)x 300 毫米(高)(來源:SNAPP 團隊)

  據悉,該項目最初由一名港大學生發起,2017 年底 Timothy Ng 接任了項目負責人的職務,並將這條魚帶到了目前的創紀錄水平。

  談及研發過程,他表示:“最大的挑戰是如何開始創造創紀錄的魚類。我們選擇複製一條魚的自然運動,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。”

  持續幾年的付出,也讓該團隊獲得了由港大工程學院譚榮範創新部舉辦的第三屆 InnoShow 的 “ InnoShow 獎項目”,以及 “第六屆香港大學生創新與創新獎” 的亞軍(這是由香港新生代文化協會和香港科技園公司舉辦的創業大賽)。

 圖 | 外觀可被設計成不同圖案(來源:SNAPP 團隊)
 圖 | 外觀可被設計成不同圖案(來源:SNAPP 團隊)

  可以 2.3 米 / 秒的速度遊向溺水者

  該機器魚具備搜尋救援、監測水質、以及在水族館提供娛樂的功能。

  由於具有較好的水下移動性,並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。

 圖 | 救生示意圖(來源:SNAPP 團隊)
 圖 | 救生示意圖(來源:SNAPP 團隊)

  當與基於人工智能的視覺系統集成、並使用空中無人機時,它可以形成一個強大的系統,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。

  據世衛組織估計,全球每年有 32 萬人死於溺水。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 在游泳池中的表現感到驚訝。他們稱 SNAPP 的快速執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遊客的海灘,一旦有人出現溺水,在確認掙紮中的受害者身份後,SNAPP 可以 2.3 米 / 秒的速度遊向現場。到達後,SNAPP 為受害者提供漂浮支援。

  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。

圖 | SNAPP 救援溺水者示意圖(來源:SNAPP 團隊)
圖 | SNAPP 救援溺水者示意圖(來源:SNAPP 團隊)

  另據悉,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。

  也可解決海洋汙染和保護海岸線

  在檢測水質方面,該團隊正在研究使用 SNAPP,來解決海洋汙染和偵察水下垃圾的問題。

圖 | 水下靜止的 SNAPP(來源:SNAPP 團隊)
圖 | 水下靜止的 SNAPP(來源:SNAPP 團隊)

  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,對水樣進行採集和水質監測,如檢測海底微塑料等。

  同時,大多數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,同時可以監管水域邊界。

圖 | SNAPP 的尾部連接處(來源:SNAPP 團隊)
圖 | SNAPP 的尾部連接處(來源:SNAPP 團隊)

  雖然 SNAPP 還無法與天然魚的遊動速度相提並論,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境。它的動作步態和真實的魚一樣,發出的聲音很小,可將水下聲汙染降至最低。

  未來,該團隊通過胸鰭去改進 SNAPP 的俯仰控制和橫搖控制,從而讓其在動盪的水下環境中更加機動。

  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。最後,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,並把他們帶回安全地點。

  薩德告訴 DeepTech,SNAPP 還在持續更新中,並將於今年九月更新最新技術細節。

  來源: DeepTech深科技

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