在亚马逊盆地的河流中，夜晚会活跃着一个完全由鱼组成的电力文明，它们通过释放微弱的电场来“看见”和交流。这些奇特的生物，这些被称为“弱电鱼”的“会游动的电池”，很长一段时间以来一直是我的实验室和许多其他实验室的研究焦点，因为它们是我们理解大脑如何工作的模型系统。（虽然它们的大脑结构与我们略有不同，但我们可以从中了解很多关于我们自己的大脑的知识，就像我们从果蝇身上了解了很多关于遗传学的知识一样。）目前已有超过 3000 篇关于这些鱼类大脑如何工作的科学论文。
最近，我的合作者和我建造了这些动物的一个机器人版本，重点是其中一种：黑幽灵刀鱼。（这个名字据说是源于南美本土一种认为祖先的灵魂居住在这些鱼中的信仰。为了我来世的福报，我希望这只是个传说。）我的大学，西北大学，上周发布了一篇新闻稿，其中包含一段视频
，关于我们的“幽灵机器人”，我对其受欢迎程度感到惊讶（在我写这篇文章时，已有近 30,000 次观看，这得益于io9
等媒体的报道）。鉴于这种意想不到的兴趣，我想分享一些关于幽灵的故事。我们制造这个机器人的最初愿望是提供一种“望远镜”。让我来解释一下。观察动物的行为以便了解大脑如何工作是非常具有挑战性的。它们几乎从不重复同一个动作，而且你无法要求它们重复刚才的动作。但是，我们科学家热爱可重复性：只有通过重复，我们才能评估某个结果是否具有统计学意义。没有重复，我们就无从下手。这时，机器人应运而生。通过一个按照动物的运动方式命令的机器人，我们可以解决以前非常棘手的问题。例如，利用我们的机器人，我们可以命令它一遍又一遍地重复我们观察到的鱼类的奇怪且出乎意料的运动，直到我们精确地弄清楚该运动的潜在机械原理。因此，通过这种方法，我们能够令人信服地展示某项特殊能力的原理。如您所知，鱼通常是向前游动的，大多数是在水平面上。我们的鱼则非常不同。因为它在完全黑暗的环境中捕食，并且可以全方位感知，所以它并不在意游向哪个方向。它在向后游动时和向前游动时一样灵活和反应迅速。请看下面的视频，了解它的运动方式（这段高速视频来自我与哈佛大学的George Lauder
的合作，由他拍摄）
[嵌入] http://vimeo.com/19073262 [/嵌入]
在黑暗中以相同的灵活性向前和向后游动取决于两项特殊能力：首先，我提到的微弱电场提供了一种水下声纳（可以把这些鱼想象成水下蝙蝠）。其次，它们游动的奇特方式意味着它们几乎可以瞬间从向前游动切换到向后游动。如果您看上面的照片或视频，会看到沿着身体有一条长鳍。鱼只需要将这个鳍向一个方向或另一个方向摆动即可向前或向后游动——而身体保持笔直！（如果您想建造一个实用的水下机器人，这会非常有用，因为弯曲身体很难实现。）现在我们一直观察这条鱼向前和向后游动，并且我们已经发表了关于其工作原理的研究。但是当你观察它们时，很明显它们还有更多技巧。它们非常善于杂技。有一天，我当时的学生 Oscar Curet 观察到鱼轻松地垂直移动，这让我们大吃一惊。但等等！一个通常只能使身体前后移动的鳍，怎么能使身体垂直移动呢？这就是机器人帮助我们解决的谜团——鱼的垂直移动不够频繁，时间也不够长，以至于我们无法通过观察动物本身来真正弄清楚。于是，幽灵机器人就诞生了。它非常先进，拥有 32 个独立控制的电机，尺寸相当于你的前臂（相比之下，工业机器人手臂通常只有不到 10 个独立控制的电机）。由于我们需要将所有东西紧密地集成在一起，与我们有关联的公司Kinea
建造了该机器人，他们设计了 32 个定制的“鱼排”——每个电机都有一个电路板，这些电路板通过一个脊柱状的总线连接器堆叠在一起。这些印刷电路板“鱼排”是幽灵机器人结构不可或缺的一部分。这是它们的样子，其中包含一个电机和一枚硬币作为比例尺：
一叠这样的“鱼排”，加上 32 个瑞士制造的小型电机，被放入一个圆柱形的防水壳中，然后我们连接 32 根非常细的杆和一个莱卡鳍，使其成为人造带状鳍。目前我们通过一根系绳发送控制信号，这样我们就可以精确地按照我们的指示移动鳍，从而能够按需重现鱼鳍的运动。最后，我们可以进行清洗、冲洗和重复操作，同时在舒适的实验室里测量复杂的机械效应。这是一段机器人正在流槽（人造溪流）中游动的视频。它看起来不像在移动，因为我们已经调整了溪流的速度以匹配游动速度。向上的杆将机器人悬挂在无摩擦的空气轨道上（想象一下它被两个悬浮在看不见的表面上的气垫船悬挂着），因此它可以自由地向前、向后和向侧面移动。
[嵌入] http://vimeo.com/19073651 [/嵌入]
完成这些后，我们就可以回到程序中，让我们的机器人执行我们观察到的那种奇怪而复杂的运动。鱼从尾部到头部发送一个波动，同时，从头部到尾部也发送一个波动。这两个波动在鳍的中间相撞（谢天谢地，它们并没有产生反波动！）。因此，水平方向的推进力被完全抵消了。但是这些波动产生的流体射流仍然存在——它们也会相撞，结果是产生一个向下的流体喷射。像所有其他动物一样，这条鱼的移动也遵循牛顿第三定律（每一个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力）——因此，向下的流体喷射会将鱼向上推。通过将大量反光粒子放入水中，并用非常强大的激光片照射，我们可以看到那个喷射。这是我们一年前在 George Lauder 的实验室第一次看到的情景（请注意，机器人被牢固地固定着，因此我们可以测量它产生的向上推力）。
[嵌入] http://vimeo.com/19065107 [/嵌入]
一个美丽的蘑菇云状结构，带有一个倒置的喷射。幽灵刀鱼已经掌握了非常复杂的流体力学，使其能够按照它的意愿来操纵流体。对于一种在黑暗中捕食的动物，并且经常独自生活在河流的巨大树根群中，这种机动性对它的生存可能至关重要。幽灵机器人及其未来的后代拥有广阔的前景。与用于机器人技术的其他鱼类相比，它具有许多引人注目的优点，例如能够几乎瞬时改变方向，并且在保持身体刚性的同时游动，使得机器人实现和部署更加实用。另一个关键优势源于我们改变摆动幅度等参数时，鳍产生的力变化得多么平滑。这增加了机器人与其他鱼类推进系统共享的其他优势，例如不易被杂草和其他碎片卡住，而传统的推进技术（如螺旋桨）则容易出现这种情况。我们还构建了鱼类电声纳工作原理的人工版本，并将其安装在机器人上。我们即将开始进行实验，其中机器人能够自主接近物体，通过其电场感知物体，然后将其定位在附近。我们正在设计一个新版本的幽灵机器人，它将具备更多功能，包括身体前部的俯仰和滚动鳍。依靠这种仿生技术驱动的水下航行器将带来新的能力，例如在拥挤区域进行详细的检查工作（沉船或海底爆炸的井口），以及在传统情况下只能由潜水员完成的任务，因为需要近距离处理精细结构（例如，珊瑚礁健康监测）。我们的最终目标是同时提高我们对如何处理用于敏捷运动的感官信息的理解，并开发两项独立的技术：用于高度机动水下航行器推进的机器人摆动器，以及用于视觉可能无法工作的各种设备的仿电感应。敬请关注！有关所有详细信息，您可以查阅发表在《英国皇家学会界面杂志》上的研究报告
。
