科研新聞

工學院謝廣明教授課題組在水下集群遊動的節能機理方麵取得新進展

2020-10-27

近期,工學院先進製造與機器人係謝廣明教授課題組在水下集群遊動的節能機理方麵取得新進展,相關論文於2020年10月26日在線發表於期刊Nature Communications。

生物集群行為一直受生物學家的廣泛關注。一個大眾熟知的例子是大雁在長途遷徙過程中,會形成特定的編隊構型,例如“人”字或“一”字。通過編隊飛行,可以減小飛行阻力,降低個體能量消耗。魚類集群遊動是是另一類普遍存在的生物集群現象,魚類是否也能夠借助集群遊動而實現節能呢?自Daniel Weihs在Nature(1973)提出一種可能的節能機理以來,對水下集群遊動節能機理的探究引起了生物學家和機器人學家的長久而廣泛興趣。前者希望能夠揭示自然現象背後的本質規律,後者希望能夠借鑒自然,在工程領域加以應用。然而,魚群中的個體是否,以及如何利用相鄰個體產生的渦流節省能量迄今依然沒有公認的答案。


節能機理示意圖

謝廣明教授課題組采用課題組自己研發的高仿生機器魚為物理實驗模型,借助北京大學湍流與複雜係統國家重點實驗室的低湍流水洞平台,對魚類的集群遊動過程展開大量的模擬實驗,總結出了後魚如何根據前魚遊動調整自身遊態而達到節能的規律。為了驗證真魚魚群是否也采用該規律,謝廣明教授課題組聯合德國馬普動物行為研究所Iain D. Couzin教授課題組,分析真魚在不同遊速下的隊形和魚體相對擺動關係,驗證了這一簡單規律在真魚中同樣適用。特別地,對真魚的視覺和側線感知分別進行可恢複性的破壞後,發現真魚實現該規律不需要複雜的感知和大腦處理,預示著該規律有可能普遍存在於生物體係統中。


機器魚遊動實驗


真魚遊動實驗

研究成果不僅提出了一種令人信服的魚群集群遊動的節能機理,同時也可啟發機器人學家如何設計水下機器人集群控製算法。

上述相關成果發表於Nature Communications (L. Li, M. Nagy, J. M. Graving, J. Bak-Coleman, G. Xie & I. D. Couzin, 2020, “Vortex phase matching as a strategy for schooling in robots and in fish”),論文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41467-020-19086-0

謝廣明教授為論文共同通訊作者,課題組畢業博士生李亮為論文第一作者。上述研究得到了國家自然科學基金委重點項目、重大研究計劃培育項目、麵上項目,以及北京市自然科學基金委麵上項目資助。合作單位包括德國馬普動物行為研究所、德國康斯坦茨大學、匈牙利科學院、匈牙利羅蘭大學和美國普林斯頓大學。

這項研究充分展示了北京大學在水下仿生機器人研究方麵的特色:一方麵,以自然為師,向自然學習研發高性能的水下仿生機器人,青出於藍而勝於藍,促進機器人技術的發展;另一方麵,反過來,以機器魚為新型研究工具,研究魚類的集群行為,發展新的研究範式,推動自然科學的前進。