香港大學(xué)機器魚(yú)打破50米游泳吉尼斯世界紀錄！水下停留8到12個(gè)小時(shí)，可用于溺水救援 | 專(zhuān)訪(fǎng)

提起自己參與研發(fā)、并創(chuàng )下吉尼斯世界紀錄的機器魚(yú) 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(chēng)薩德）告訴 DeepTech。
SNAPP 由香港大學(xué)機械工程系研發(fā)，目前還保持著(zhù)一項于 2020 年創(chuàng )下的吉尼斯世界紀錄：游完 50m 的水下路線(xiàn)只需耗時(shí) 22.92 秒，這打破了 “機器人魚(yú)最快 50m 游泳” 的記錄。
這比曾在 2008 年北京奧運會(huì )一人獨攬 8 枚金牌、并打破 4 個(gè)游泳項目世界紀錄的菲爾普斯還快。另?yè)?，該記錄在香港大學(xué)霍英東游泳池完成。
具體來(lái)說(shuō)，相比人類(lèi)游泳者在國際游泳聯(lián)合會(huì )（FINA）認可的長(cháng)距離游泳池中創(chuàng )造的世界紀錄，機器魚(yú)超過(guò)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(lái)自香港大學(xué)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)超越了大多數奧林匹克游泳運動(dòng)員，后者在 20.91 秒內游泳 50 米?！?/span>
因此，SNAPP 是迄今為止最快的機器人魚(yú)類(lèi)，其以 2.18 米 / 秒的速度突破了人類(lèi)游泳所熟知的科學(xué)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(guò)增加身體組件來(lái)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(wú)線(xiàn)電，所以能更好地穿透水下信號。結構上，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(lái)移動(dòng)，這不同于常見(jiàn)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(cháng)）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(yú)尾設計的靈活性，如下圖其魚(yú)尾就像一個(gè)彎月，這種弧度是靈活性的來(lái)源之一，并能在水下推動(dòng)其前進(jìn)。

自立項起，共有幾十人參與 SNAPP 研發(fā)，并孵化出一個(gè)名為 BREED Robotics 的機器人技術(shù)團隊，該團隊隸屬于香港大學(xué)，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(guò)在機器人魚(yú)上添加視覺(jué)系統和控制算法，我們希望我們的魚(yú)能夠在水下任務(wù)中充當搜索救援機器人的角色?！?/strong>
研發(fā)過(guò)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(yú)身和魚(yú)尾都經(jīng)歷了多次迭代。最初的魚(yú)身是圓柱狀，到最后成為尖銳的橢圓柱狀。
魚(yú)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(yú)”“肥金槍魚(yú)” 和 “黃尾” 等不同原型進(jìn)行了幾次失敗的嘗試之后，該團隊最終設法將不銹鋼灌輸到了重量更輕的 3D 打印塑料中，并開(kāi)發(fā)出了目前版本。

SNAPP 的外形很薄，可以在 0.5 米深的淺水區工作，可以穿過(guò)海底巖層，更可以穿過(guò)狹窄的裂縫。由于重量輕，阻力小，它能在 0.8 秒內加速到最大速度，并且可以用尾鰭進(jìn)行急轉彎。
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、反饋系統和方向控制系統，未來(lái)還將擁有伺服鰭片和水下攝像頭檢測功能。

據悉，該項目最初由一名港大學(xué)生發(fā)起，2017 年底 Timothy Ng 接任了項目負責人的職務(wù)，并將這條魚(yú)帶到了目前的創(chuàng )紀錄水平。
談及研發(fā)過(guò)程，他表示：“最大的挑戰是如何開(kāi)始創(chuàng )造創(chuàng )紀錄的魚(yú)類(lèi)。我們選擇復制一條魚(yú)的自然運動(dòng)，這是機器人過(guò)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?！?/span>
持續幾年的付出，也讓該團隊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 獎項目”，以及 “第六屆香港大學(xué)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(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
該機器魚(yú)具備搜尋救援、監測水質(zhì)、以及在水族館提供娛樂(lè )的功能。
由于具有較好的水下移動(dòng)性，并且能在沒(méi)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。

當與基于人工智能的視覺(jué)系統集成、并使用空中無(wú)人機時(shí)，它可以形成一個(gè)強大的系統，為空襲和水中的受害者提供搜索和營(yíng)救。
2018 年，為營(yíng)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(chǎng)犧牲本可以避免。
據世衛組織估計，全球每年有 32 萬(wàn)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(méi)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(chēng) 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(shí)間就是生命，而 SNAPP 的快速運動(dòng)能力，正是溺水救援所需要的。
也因此，SNAPP 的常見(jiàn)部署地點(diǎn)是擠滿(mǎn)游客的海灘，一旦有人出現溺水，在確認掙扎中的受害者身份后，SNAPP 可以 2.3 米 / 秒的速度游向現場(chǎng)。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(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(lái)支撐一個(gè)重達 80 公斤的人漂浮在水面上。

另?yè)?，它能在沒(méi)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備。當潛水員陷入水流中，可將他們從水中拉開(kāi)。
也可解決海洋污染和保護海岸線(xiàn)
在檢測水質(zhì)方面，該團隊正在研究使用 SNAPP，來(lái)解決海洋污染和偵察水下垃圾的問(wèn)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，對水樣進(jìn)行采集和水質(zhì)監測，如檢測海底微塑料等。
同時(shí)，大多數海洋尚未為人類(lèi)所見(jiàn)，SNAPP 還可幫助保護海岸線(xiàn)、以及保護公共海灘免受鯊魚(yú)侵害，同時(shí)可以監管水域邊界。

雖然 SNAPP 還無(wú)法與天然魚(yú)的游動(dòng)速度相提并論，但它模仿了真實(shí)魚(yú)的運動(dòng)和輪廓，因此能很好地適應海洋環(huán)境。它的動(dòng)作步態(tài)和真實(shí)的魚(yú)一樣，發(fā)出的聲音很小，可將水下聲污染降至最低。
未來(lái)，該團隊通過(guò)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)境中更加機動(dòng)。
此外，他們還將給其增加識別能力和通信設備，以便主動(dòng)找到受害人。最后，會(huì )通過(guò)特別方法，以便在救援時(shí)像人工救生員那樣，將失去知覺(jué)的受害者抬起來(lái)，并把他們帶回安全地點(diǎn)。
薩德告訴 DeepTech，SNAPP 還在持續更新中，并將于今年九月更新最新技術(shù)細節。