工学院谢广明课题组研制出新型水下通讯体系

近期，北京大学工学院谢广明教授向导的课题组研制出一种新型的水下电场通讯体系，为目前水下机器人通讯提供了一种新思路，相干论文发表于仿生科学领域国际顶级期刊Bioinspiration & Biomimetics。

因为水环境的特别性，水下通讯不像陆地上那样方便自若，其肯定程度上限定了水下机器人大规模应用。传统水声通讯是使用最为广泛的一种通讯方法。但因其功耗高、体积大、速率慢，容易受到水体活动及四周停滞物的影响，尤其是在有限或地形复杂的水域通讯时，信道多径效应显明，通讯质量较差，已经很难知足日益增加的水下通讯需求。

谢广明教授向导的团队是国内较早睁开水下仿生机器人相干研究的人员，强调模拟学习天然界生物特性和功能，在若干方向取得了创新性效果。为解决水下机器人的稳固通讯，推动日后水下机器人群体的大规模应用，谢广明团队从天然界鱼类的一种特别举动中获得灵感，开发出了通讯稳固、功耗低且对水环境要求极低的水下电场通讯体系，并在机器人上进行了体系深入的实验验证。

谢广明教授及合作者经过研究发现，天然界有些鱼类如南美电鳗亚目（Gymnotiformes）鱼和非洲管嘴鱼科（Mormyridae）鱼，可以自动发射和感知电场实现水下通讯。其工作原理为电鱼通过自身特有的发电器官发射电场旌旗灯号并且释放到四周水域，因为水是良导体，该电场旌旗灯号会以类电偶极子场的体例进行传播，附近的其他电鱼可以感知第一条电鱼发射的电场旌旗灯号，并从中提取频率、波形及旌旗灯号时间间隔等有用信息，从而解读出电场旌旗灯号中蕴含的信息，实现个体间的水下通讯。从电鱼通讯中得到启发，研究团队首先把电鱼通讯体系抽象建模为由一对发射电偶极子和一对接收电偶极子组成的简化体系，接着对该电场体系进行数值仿真，初步掌握了其传播及分布特征，最后设计开发出了一套新型的仿生电场通讯体系。研究团队对该仿生电场体系进行了深入体系的实验研究，分别对比了电场通讯在静水、水流流动、有停滞物环境和天然水域中的通讯性能，效果注解水中电场通讯比水声通讯更为稳固，水体活动、停滞物及水质等复杂环境对电场通讯影响都很小。目前发射功率仅为0.25W时即可实现水下3-5米的近距离电场通讯，增长发射功率和电极间距可进一步进步通讯距离，将来具有较大应用前景。该成果以长文（Regular Paper）的情势发表于Bioinspiration & Biomimetics（W. Wang, J. Liu, G. Xie, L. Wen, and J. Zhang, “A Bio-inspired Electrocommunication System for Small Underwater Robots”, Bioinspiration & Biomimetics, 12, 036002, 2017.）。

论文的通信作者为谢广明教授，第一作者为谢广明课题组的博士王伟（目前在美国麻省理工学院机器人研究所做博士后研究）。该工作得到了国家天然科学基金等项目的资助。项目合作者还包括德国汉堡大学的Jianwei Zhang教授、英国帝国理工大学的Jindong Liu教授以及北京航空航天大学的文力教授。

编辑：山石