北京大学智能仿生设计实验室—水陆空三栖仿生机器人百花齐放

北京大学智能仿生设计实验室—水陆空三栖仿生机器人百花齐放

地球上的生物经历了漫长的演变，昭示着大自然的鬼斧神工。当自然的精妙与人类的智慧相遇时，是强强联合，是相辅相成。我们从自然的进化中获得灵感，改善我们的生活，也用我们的收获来探究自然、守护自然。

仿生技术近年来在国内外获得了广泛的应用和发展，今天带大家走近北京大学工学院一个特别的实验室——智能仿生设计实验室，一起见识智能仿生的魅力。

不久前，北京大学工学院智能仿生设计实验室利用仿生技术，在北京大学120周年校庆之际展示了他们为母校庆生的特殊贺礼：无人机编队巡航。

在这份珍贵的礼物中，实验室分别用54架和120架无人机编队——寓意5月4日校庆日和120周年——变换队形摆出“PKU”“120”“COE”（注：COE为工学院英文College of Engineering缩写）等字样。燕园学子殷殷的爱校之情，深深的痴迷科研之意，生动地展现在有序不紊的飞行画面上。

走近实验室

物竞天择，适者生存。经过漫长进化的大浪淘沙，生存下来的生物都能够很好地适应特定的环境。人类通过向大自然学习、借鉴生物的特点，能够解决很多工程问题。

智能仿生设计实验室于2018年5月4日成立，正值北京大学120周岁校庆日。实验室由工学院谢广明、孙智利、崔悦和李咏梅等教授共同发起创建。

以自然为师，向大自然学习。立足于智能仿生装备与系统的设计、研发与实际应用，实验室对自然界生物个体机理和机制进行探究，开展生物个体功能的仿生创新，模仿生物的运动、感知、定位、通信等能力，并高度融合人工智能、机器人与创新设计。特别地，实验室还对自然界广泛存在的集群行为进行探究，模拟自组织的群体协作能力并应用到大规模的人工群体中去。

谢广明教授

实验室积极响应着新一代人工智能发展规划和军民融合的国家战略发展需求，将机器人与人工智能技术相结合；也传承并发扬着北京大学“常为新”的精神。实验室的创立是对之前十几年科研成果的一种继承，也是再出发的一个新起点。

部分实验室人员合照

在实验室创立之前， 工学院的相关老师在机器人研究方面已经有了长期的积累，陆续成功研制了机器海豚、机器鲤鱼、机器海龟、水陆两栖机器人等。

实验室研发的部分仿生机器鱼

机器海豚、仿箱鲀机器鱼、可重构水下机器人平台（从左至右）

近些年，机器箱鲀成为实验室研发的重点——自然界中的箱鲀能够在急流中保持平稳性和灵活性，实验室吸取借鉴了它的优点，研发出可以实现行进后退、左右转弯以及灵活翻滚等三维运动的仿箱鲀机器鱼。

这条灵活的鱼儿可以实际应用于海洋开采，代替人力进行近浅海的海洋生物捕捞。更曾远赴南极和北极参加实地科考，在冰天雪地之中仍取得了不错的测试效果。

此外，实验室的成果，还成功地进行了产业化，世界上首条水下摄影机器鱼获得了2018CES（国际消费类电子产品展览会）创新奖。

世界上首条水下摄影机器鱼

双尾鳍机器鱼首次在南极测量水质

仿箱鲀机器鱼首航北极

机器鲨鱼

集群控制研究方面，实验室设计和研制了一套多机器鱼协作控制实验系统，开发了基于视觉的多机器鱼实时位姿识别算法以及多机器人协作策略编写环境，实现对多机器鱼的实时分布式控制。

水中机器人协作实验平台

设计和开发的多机器鱼协作控制实时仿真系统，是首个以多机器鱼协作为仿真对象的软件系统。这个系统完成了轨迹跟踪、协作运输、协作避障等多机器鱼协作任务 。

水中机器人协作仿真平台

2007年10月，基于自主开发的多机器鱼协作控制实验平台和仿真平台，谢广明教授创立了国际水中机器人大赛，这是首个由中国人创立的国际性机器人赛事。赛事运行至今，参与大赛的国内外高校超过一百所，极大提高了中国在机器人竞赛和科研领域的国际声誉和影响力。

美国西点军事学校参赛

2015年，凭借“智能仿生机器人与多机器人协作的关键技术研究”， 谢广明教授获得吴文俊人工智能科学技术奖创新奖二等奖；同年获得教育部自然科学奖一等奖，项目为“网络化动态系统的分析与控制”，2017年该项目再次斩获国家自然科学奖二等奖。

IEEE IROS 2015竞赛

献礼校庆

7个月前，尚处于创立筹备期的工学院智能仿生设计实验室开始了无人机编队巡航的策划与筹备。

无人机编队巡航是群体控制技术的具体应用场景之一，无论在民用还是军用方面都具有广泛的应用前景，备受国内外学者的广泛关注。这个项目既展示了实验室的科研成果，同时也是为北大庆生的特色礼物。

实验室的同学们在进行实地测试

在筹备过程中，技术难点是一个重大的挑战。实现无人机自主编队巡航，需要解决的问题有很多，最突出的一点是如何实现完全自主飞行。当前很多无人机表演大多已经规划好飞行轨迹，无人机之间缺少相互联系。而实验室实现的技术，借鉴了鸟类群体飞行行为，使无人机自主编队并变换队形，而且可以在飞行过程中避免相互碰撞。

无人机起飞

除此之外，还有一系列的非技术难题需要解决，比如时间、经验、场地、道具等等。但实验室的同学们耐心而坚持地将其一一解决，最后呈现的效果令人眼前一亮。

实验室独特的校庆祝福（机器鱼拖动并展开横幅）

发展前景规划

面向未来，实验室有三个发展方向：

首先是新一代智能仿生机器人的设计与研制。实验室将结合先进材料、微纳技术、柔性电子等技术，坚持发展传统优势方向——水中仿生机器人，同时向空中飞行以及陆地各种复杂环境下的仿生机器人方向拓展，甚至会涉猎能够在生物体内执行任务的微纳机器人。

其次是群体智能技术的深入研究。进入21世纪以来，工业生产系统规模日益扩大，大量物理设备作为节点通过各种通信方式连接成一个动态演化网络，例如智能交通及智能电网等。群体智能作为人工智能技术的主要方向之一，将在这些系统中发挥关键作用。实验室将重点研究水下群体机器人协作、空中群体机器人协作、水陆空联合群体机器人协作等，甚至包括生物-机器混合系统的智能协作。

机器鱼在未名湖中引领鱼群游动

第三是智能仿生技术在实际产业中的应用。实验室要逐步将掌握的先进技术与具体实际应用相结合，促进技术的产业化，服务于人类的生产生活，优先展开的是水资源勘查、水环境监测、水产养殖、水下设施维修等领域的研究。

实验室将努力践行“顶天立地”的科研使命。

“顶天”即希望能够做出具有原始创新性的成果。首先揭示自然界的基本客观规律，再运用所掌握的规律与大自然和谐共融。这是由简单的“师法自然”过渡到“道法自然”。

“立地”是真正服务于国家相关的重大战略需求，例如智慧海洋、海洋强国等战略，真正切实解决一些实际问题。

雄关漫道真如铁，而今迈步从头越！愿智能仿生设计实验室和北大同行，勾勒出属于自己的浓墨重彩的一笔！

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智能仿生设计实验室简介

智能仿生设计实验室成立于2018年5月4日，由工学院谢广明、孙智利、崔悦和李咏梅等教授共同发起创建。

实验室立足于智能仿生装备与系统的设计、研发与实际应用，实验室对自然界生物个体机理和机制进行探究，开展生物个体功能的仿生创新，模仿生物的运动、感知、定位、通信等能力，并高度融合人工智能、机器人与创新设计。实验室还对自然界广泛存在的集群行为进行探究，模拟自组织的群体协作能力并应用到大规模的人工群体中去。

图片：北京大学工学院智能仿生设计实验室