香港大學(xué)機(jī)器魚打破50米游泳吉尼斯世界紀(jì)錄！水下停留8到12個(gè)小時(shí)，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(jì)錄的機(jī)器魚 SNAPP，該團(tuán)隊(duì)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(xué)機(jī)械工程系研發(fā)，目前還保持著一項(xiàng)于 2020 年創(chuàng)下的吉尼斯世界紀(jì)錄：游完 50m 的水下路線只需耗時(shí) 22.92 秒，這打破了 “機(jī)器人魚最快 50m 游泳” 的記錄。
這比曾在 2008 年北京奧運(yùn)會(huì)一人獨(dú)攬 8 枚金牌、并打破 4 個(gè)游泳項(xiàng)目世界紀(jì)錄的菲爾普斯還快。另據(jù)悉，該記錄在香港大學(xué)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(huì)（FINA）認(rèn)可的長距離游泳池中創(chuàng)造的世界紀(jì)錄，機(jī)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(xiàng)目的首席研究員、來自香港大學(xué)機(jī)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(jì)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(yùn)動(dòng)員，后者在 20.91 秒內(nèi)游泳 50 米。”
因此，SNAPP 是迄今為止最快的機(jī)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(xué)界限。

如上圖所示，SNAPP 采用模塊化設(shè)計(jì)，為的是便于維護(hù)、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(hào)。結(jié)構(gòu)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(jī)械鰭來移動(dòng)，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(gè)小時(shí)。
SNAPP 的波動(dòng)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(jī)供電。
它能快速游泳的原因之一，在于魚尾設(shè)計(jì)的靈活性，如下圖其魚尾就像一個(gè)彎月，這種弧度是靈活性的來源之一，并能在水下推動(dòng)其前進(jìn)。

自立項(xiàng)起，共有幾十人參與 SNAPP 研發(fā)，并孵化出一個(gè)名為 BREED Robotics 的機(jī)器人技術(shù)團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)隸屬于香港大學(xué)，團(tuán)隊(duì)主要?jiǎng)?chuàng)始人有 Timothy NG 等人。

港大機(jī)械工程系助理教授張富則是該項(xiàng)目的導(dǎo)師，他表示：“通過在機(jī)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(wù)中充當(dāng)搜索救援機(jī)器人的角色?！?/strong>
研發(fā)過程中，該團(tuán)隊(duì)努力在速度、重量、耐用性和可靠性之間尋求平衡，SNAPP 的設(shè)計(jì)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(jìn)行了幾次失敗的嘗試之后，該團(tuán)隊(duì)最終設(shè)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(jìn)行急轉(zhuǎn)彎。
在 48 伏、5000 毫安時(shí)的電池幫助下，它能以高速間歇性游泳 3 小時(shí)，并能在 6 小時(shí)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(xiàng)目最初由一名港大學(xué)生發(fā)起，2017 年底 Timothy Ng 接任了項(xiàng)目負(fù)責(zé)人的職務(wù)，并將這條魚帶到了目前的創(chuàng)紀(jì)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(jì)錄的魚類。我們選擇復(fù)制一條魚的自然運(yùn)動(dòng)，這是機(jī)器人過去試圖避免的事情，但是我們認(rèn)為這是一條值得探索的途徑?！?/span>
持續(xù)幾年的付出，也讓該團(tuán)隊(duì)獲得了由港大工程學(xué)院譚榮范創(chuàng)新部舉辦的第三屆 InnoShow 的 “ InnoShow 獎(jiǎng)項(xiàng)目”，以及 “第六屆香港大學(xué)生創(chuàng)新與創(chuàng)新獎(jiǎng)” 的亞軍（這是由香港新生代文化協(xié)會(huì)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(jī)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(dòng)性，并且能在沒有救生員的情況下，提供浮動(dòng)支撐和拖曳能力。因此 SNAPP 非常適合進(jìn)行救援和搜索。

當(dāng)與基于人工智能的視覺系統(tǒng)集成、并使用空中無人機(jī)時(shí)，它可以形成一個(gè)強(qiáng)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(duì)成員，前泰國海軍海豹突擊隊(duì)隊(duì)員庫南（Saman Kunan）不幸犧牲。該團(tuán)隊(duì)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(jì)，全球每年有 32 萬人死于溺水。在 2012-2016 年，香港報(bào)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(yàn)中，救生員對(duì) 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?yàn)樵谀缢闆r下，時(shí)間就是生命，而 SNAPP 的快速運(yùn)動(dòng)能力，正是溺水救援所需要的。
也因此，SNAPP 的常見部署地點(diǎn)是擠滿游客的海灘，一旦有人出現(xiàn)溺水，在確認(rèn)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(dá)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(hù)，SNAPP 會(huì)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(gè)重達(dá) 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(dòng)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(shè)備。當(dāng)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(hù)海岸線
在檢測水質(zhì)方面，該團(tuán)隊(duì)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(guān)收集器，也可被部署到定期流域中，對(duì)水樣進(jìn)行采集和水質(zhì)監(jiān)測，如檢測海底微塑料等。
同時(shí)，大多數(shù)海洋尚未為人類所見，SNAPP 還可幫助保護(hù)海岸線、以及保護(hù)公共海灘免受鯊魚侵害，同時(shí)可以監(jiān)管水域邊界。

雖然 SNAPP 還無法與天然魚的游動(dòng)速度相提并論，但它模仿了真實(shí)魚的運(yùn)動(dòng)和輪廓，因此能很好地適應(yīng)海洋環(huán)境。它的動(dòng)作步態(tài)和真實(shí)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(tuán)隊(duì)通過胸鰭去改進(jìn) SNAPP 的俯仰控制和橫搖控制，從而讓其在動(dòng)蕩的水下環(huán)境中更加機(jī)動(dòng)。
此外，他們還將給其增加識(shí)別能力和通信設(shè)備，以便主動(dòng)找到受害人。最后，會(huì)通過特別方法，以便在救援時(shí)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(diǎn)。
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(shù)細(xì)節(jié)。