北航学子的『尼尔斯』之梦

作者: 蔡劲松

一条外形和游姿都十分逼真的机器鱼,实际上是一艘性能独特的无人驾驶柔体潜艇模型。在1999年11月1日结束的第六届“挑战杯”全国大学生科技作品竞赛上，北京航空航天大学四年级学生梁建宏的作品《鱼类运动仿生研究及其柔体潜艇模型》获得了一等奖(第一名)。专家指出,该发明不仅研究了鱼类游动时脊椎的波形,同时也提出了“柔体潜艇”的最新概念,它是中国第一条能在水中自如游动的“机器鱼”。

在水中游动自如的“机器鱼”受到前来参观的来宾、专家和领导的好评。

像梁建宏这个年龄的人,大多不会忘记童年时那部充满幻想与历险的动画片《尼尔斯骑鹅旅行记》。因此,梁建宏将自己发表在《少年科学》杂志上的科幻小说命名为《尼尔斯之梦》。

梁建宏从小就是这样一个充满梦想的航模迷。他的父亲是技工出身,十分注重培养梁建宏进行课外科技活动的技能与兴趣。从几十元的航模器材到几百元的遥控电子设备,甚至几千元的计算机,父亲曾无数次为儿子进行“超前”投资。13岁时,梁建宏曾使一台压燃式小发动机试车成功,后来还做过许多车模、船模和航模。他对生物学也有着浓厚的兴趣。

考上大学后梁建宏很想解开一个一直未解开的最普通的谜:鱼为什么会游呢?

在摆弄船模的过程中,梁建宏不断观察鱼的游动,并将潜艇的航行与鱼类的游动进行比较。经过数月的探索,他归纳出船舶的螺旋桨推进与鱼类的游动有许多相近之处,但鱼的推进方式却有着许多优点。

1998年7月,梁建宏萌发了 “鱼的运动”是一种波的想法。那个暑假他没有回家,用一个月的时间推导出了鱼类前进速度的一般式,并设计了一整套验证这一理论的实验方法。在刚完成大二学业的情况下,梁建宏就已经开始自学制作计算机接口和步进电机驱动板,作为进行“机器鱼”试验的技术准备。

1998年10月初,第一个木制的依靠波动推进方式前进的船模试验成功,实测速度与理论速度十分吻合!这大大增加了梁建宏的信心。

1999年春节，当别的同学忙于走亲访友的时候,梁建宏正在家中制作数字式遥控系统,程序编了7天,装配遥控器做了10天。

3月,又一个新学期开始了。这时,鱼体的制作成了难题。无论是刚性的鱼头,还是柔性的鱼尾,梁建宏和同伴都重复做了两三遍。其中，“机器鱼”的关节要做到六关节联动,必须给六个步进电机合理的脉冲,后来他们采用了一种较好的算法解决了这个问题。

此外,在试验过程中他们发现,鱼头的形状也非常重要。它既要有合适的重心，又要做到使前进的的阻力减小，还要使横向摆动的阻力增大,以平衡尾部摆动所产生的力矩。而尾部的制作难度就更大了。为了做出扭动阻力小、防水性好的尾，梁建宏和同伴试验了多种材料的粘合剂，最后选用了防水性和柔韧性都十分优异的喷塑尼龙布。它结合上弯曲部位的折叠结构，使“鱼皮”扭动时所产生的阻力明显减小。

同年4月，“机器鱼”在北航绿园荷花池试航成功。机器鱼的游动形态十分逼真，吸引了大批过路的行人驻足观看。从这个试验中,梁建宏和同伴们深刻地体会到，“机器鱼”这样的课题所涉及的学问包括仿生学、计算机控制、机器人、流体力学及材料学等多个学科的知识,做成这样的项目需要集体的智慧和团结协作的攻关精神。

1999年10月梁建宏携带着他的“机器鱼“投赴山城重庆，参加备受全国万千学子瞩目的“挑战杯”，荣获了一等奖(第一名)的好成绩。该项目目前已受到国家有关研究部门的重视。

此时，梁建宏的心情是平静的。他深知,这个项目的成功只是自己探索科学奥秘道路上的普通一步。他说：“鱼儿那迷人的游动曲线里所蕴含的深奥机理和它广阔的应用前景,是激发我创作灵感与探索激情的原动力。我坚信,我们的研究一定能为今后新型水面及水下运载器、高效推进系统以及水下作业机器人等各个领域的研制工作,开创出一个崭新的空间。”

梁建宏的梦还有许多许多。

就像他在科幻小说《尼尔斯之梦》中描述的那样——

“尼尔斯’载着我滑翔在学校上空,我忽然感到一股激情：在这片土地上,有多少怀着尼尔斯之梦的人在孜孜以求、锲而不舍啊!”

北航校长沈士团教授(前排左一)向教育部部长陈至立(左二)介绍“机器鱼”的研制情况。