新型仿生魚(yú)技術(shù)在水體污染探測(cè)中的應(yīng)用

宋悅嘉，李思雨，張新琪，藍(lán)蔚青，吳 波，吳清云

（1.上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海 201306；2.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306；3.南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510515）

水是地球環(huán)境得以正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，在大量的環(huán)境問(wèn)題中，與人們聯(lián)系最密切的就是水，作為地球生物賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，水是所有生物的自然活動(dòng)中不可或缺的一部分。水環(huán)境是人類最重要的環(huán)境保障，而水污染是地球生物最難以解決的重要問(wèn)題。但近年來(lái)，隨著各國(guó)推進(jìn)城市化進(jìn)程不斷加快，人口數(shù)量激增，過(guò)度開(kāi)采產(chǎn)生的污染物被排入河流中，導(dǎo)致大量水域的水體受到嚴(yán)重污染，影響到各國(guó)環(huán)境和居民健康。

目前，污染源的檢測(cè)是水污染治理中最難解決的問(wèn)題。固體污染物由于其可視化、易收集的特點(diǎn)，已經(jīng)擁有較為成熟的處理措施。然而，如何既遵循河流的自然生態(tài)原則，又能設(shè)計(jì)針對(duì)性的河流湖泊非固體污染物監(jiān)測(cè)裝置，協(xié)助環(huán)境治理，是目前行業(yè)人員的努力方向?；诖耍疚脑趯?duì)水污染物常用檢測(cè)方法與國(guó)內(nèi)外最新探測(cè)法介紹的基礎(chǔ)上，闡述了仿生魚(yú)技術(shù)在水體非固體污染探測(cè)中的主要特點(diǎn)，并對(duì)該技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)予以展望。

1 中國(guó)常用的水污染污染物檢測(cè)法

隨著科技水平不斷提高，中國(guó)已有相應(yīng)的水污染污染物檢測(cè)方法，主要包括生物探測(cè)法、光探測(cè)法、機(jī)械探測(cè)法、物理檢測(cè)法、化學(xué)檢測(cè)法與物聯(lián)網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)。

1.1 生物探測(cè)法

生物方法中的許木啟實(shí)驗(yàn)是利用白洋淀水體里的浮游動(dòng)物群種變化來(lái)判斷水體污染程度[1]。該方法監(jiān)測(cè)功能多樣，監(jiān)測(cè)污染狀況客觀，結(jié)果可靠，成本低，但難以具體測(cè)定一片水域的污染物種類和范圍。

1.2 光檢測(cè)法

光探測(cè)法中應(yīng)用最多的是紫外吸收法。該法利用雙光路單通道循環(huán)分時(shí)采樣方法，在軟件控制下分時(shí)探測(cè)光強(qiáng)反應(yīng)的水質(zhì)污染情況[2]。其優(yōu)點(diǎn)在于消除了由于后景光的折射和光線強(qiáng)度帶來(lái)的影響，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，但在實(shí)際使用中，根據(jù)中國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，需把測(cè)定中的紫外光吸收系數(shù)轉(zhuǎn)換成化學(xué)需氧量，轉(zhuǎn)換時(shí)需要完成大量工作，轉(zhuǎn)換值缺乏代表性。

1.3 機(jī)械探測(cè)法

機(jī)械方法中主要應(yīng)用監(jiān)測(cè)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)將各種傳感器、縮微電腦芯片和發(fā)送器安裝在一個(gè)裝置內(nèi)，將探測(cè)裝置放進(jìn)需要監(jiān)測(cè)的水域里，通過(guò)底部的定位器等判斷水深位置，然后來(lái)具體監(jiān)測(cè)水質(zhì)。各種傳感器等續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，可以組成整體監(jiān)測(cè)網(wǎng)，可用于大型污染水域的監(jiān)測(cè)，但價(jià)格昂貴，不易在戶外攜帶。

1.4 物理檢測(cè)法

各種物理方法中較常用的是環(huán)境地球物理方法，它是一種檢測(cè)大片水域污染程度的方法，通過(guò)檢測(cè)滲透液的方法判斷水域內(nèi)污染的大致范圍和程度[3]。當(dāng)水體受到污染后，視電阻率或電導(dǎo)率發(fā)生變化，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果來(lái)判斷污染范圍、污染程度等。其優(yōu)點(diǎn)在于污染物探測(cè)更精確，但由于不同區(qū)域、不同水域的介質(zhì)不同，該方法對(duì)于有些數(shù)據(jù)可能給不出合理解釋，所以沒(méi)有被廣泛應(yīng)用。

1.5 化學(xué)檢測(cè)法

化學(xué)監(jiān)測(cè)中最常用滴定分析法，該方法將一種已知準(zhǔn)確質(zhì)量濃度的溶液（標(biāo)準(zhǔn)溶液），滴加到需要檢測(cè)的水質(zhì)中，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)完全后消耗標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積和質(zhì)量濃度，計(jì)算出被測(cè)物質(zhì)的含量[4-5]。其優(yōu)點(diǎn)在于方法簡(jiǎn)單易懂，分析準(zhǔn)確度高，總體成本低。但操作煩瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)人工，而且必須要有合適的指示終點(diǎn)。

1.6 物聯(lián)網(wǎng)探測(cè)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)探測(cè)技術(shù)是通過(guò)放置在浮標(biāo)等裝置上的傳感器探測(cè)設(shè)備配合GPS 對(duì)污染程度以及探測(cè)的具體時(shí)間、具體水域位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得出污染詳細(xì)圖[6]。各種傳感器通過(guò)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢測(cè)，上傳至上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其優(yōu)點(diǎn)在于檢測(cè)范圍廣，檢測(cè)精度高，但費(fèi)用昂貴，操作煩瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

2 國(guó)內(nèi)外最新水污染檢測(cè)方法

國(guó)內(nèi)外目前通常根據(jù)不同地點(diǎn)的探測(cè)結(jié)果對(duì)水污染進(jìn)行綜合治理，水污染檢測(cè)技術(shù)不斷推陳出新，主要包括以下3 種。

2.1 水下機(jī)器人探測(cè)法

現(xiàn)代水質(zhì)監(jiān)測(cè)手段明顯存在自動(dòng)化不足、站點(diǎn)不足、專業(yè)性缺乏的問(wèn)題[7]。水下機(jī)器人探測(cè)法通過(guò)pH傳感器、濁度傳感器和溫度傳感器來(lái)探測(cè)水體環(huán)境和非固體污染物的位置，通過(guò)螺旋推動(dòng)器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)水下靈活運(yùn)動(dòng)，但是由于螺旋槳噪聲較大，且易損傷魚(yú)類，會(huì)破壞水下生態(tài)環(huán)境。

2.2 小型無(wú)人艇水污染檢測(cè)法

普通水上污染監(jiān)測(cè)設(shè)備往往價(jià)格昂貴，體積龐大，使用不夠靈活[8]。無(wú)人艇系統(tǒng)適用于江河湖庫(kù)水污染的抽檢和巡檢，以小型無(wú)人艇為載體進(jìn)行水資源數(shù)據(jù)采集，以電腦作為陸地主體來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，利用3G 通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。但由于無(wú)人艇對(duì)江河湖中的環(huán)境可能存在破壞情況，該技術(shù)還未成熟，因此未得到廣泛應(yīng)用。

2.3 仿生魚(yú)探測(cè)法

仿生魚(yú)探測(cè)法摒棄了冰冷的水下機(jī)器人探測(cè)，通過(guò)融入魚(yú)群避免破環(huán)水下生態(tài)環(huán)境。目前的仿生魚(yú)領(lǐng)域主要利用傳感器等技術(shù)，通過(guò)對(duì)水下污染物的探測(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理，研究人員再用探測(cè)的數(shù)據(jù)繪制實(shí)時(shí)的水污染3D 圖，環(huán)保部門(mén)將此作為污染物清理的依據(jù)。但該技術(shù)尚未成熟，無(wú)法完全模仿魚(yú)類游動(dòng)方式，不能完全融入魚(yú)群。

目前對(duì)大片流域的水污染探測(cè)仍存在較大問(wèn)題，因此對(duì)于河流污染后的生態(tài)修復(fù)要遵循自然生態(tài)原則，利用河道生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力來(lái)進(jìn)行分析，全面遵循其發(fā)展規(guī)律，以此促進(jìn)人與自然和平發(fā)展。

3 新型仿生魚(yú)技術(shù)在水體固體污染探測(cè)中的應(yīng)用

目前的仿生魚(yú)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)明顯，其優(yōu)點(diǎn)在于，通過(guò)魚(yú)尾擺動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)水下靈活運(yùn)動(dòng)，且由于舵機(jī)相較于螺旋槳噪聲較小，不易損傷魚(yú)類，保護(hù)水下生態(tài)環(huán)境。但是仿生魚(yú)缺點(diǎn)在于，多種傳感器雖然可以組成整體監(jiān)測(cè)網(wǎng)，可用于大型污染水域的監(jiān)測(cè)，但價(jià)格昂貴，不易在戶外攜帶。而目前的仿生魚(yú)領(lǐng)域主要利用傳感器等技術(shù)，通過(guò)對(duì)水下污染物的探測(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理，科學(xué)家用探測(cè)的數(shù)據(jù)繪制實(shí)時(shí)水污染3D 圖，讓環(huán)保部門(mén)采取辦法來(lái)清除這里的污染物，以此來(lái)達(dá)到保護(hù)河流環(huán)境的目的。但是，其缺點(diǎn)在于，只能探測(cè)出固體污染物及其所在位置，而對(duì)于水體環(huán)境的探測(cè)具有很大的漏洞。因此，設(shè)計(jì)一款通過(guò)機(jī)械仿生及智能AI 混入魚(yú)群、遵循魚(yú)類活動(dòng)，再由物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，來(lái)探索河流中非固體污染物以及污染源的位置的智能仿生機(jī)器魚(yú)。新型仿生魚(yú)產(chǎn)品模型如圖1 所示。

圖1 新型仿生魚(yú)產(chǎn)品模型圖

3.1 計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)

利用水下仿生魚(yú)系統(tǒng)，通過(guò)攝像頭和Wi-Fi 等裝置對(duì)水下的魚(yú)群進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝和信息識(shí)別，并將識(shí)別信息結(jié)果傳輸?shù)接脩羯衔粰C(jī)端，可對(duì)水下魚(yú)群游動(dòng)、水域污染、水下實(shí)時(shí)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以此來(lái)跟隨魚(yú)群游動(dòng)，并進(jìn)一步利用圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)水下環(huán)境進(jìn)行精細(xì)化觀測(cè)。新型仿生魚(yú)系統(tǒng)流程如圖2 所示。

圖2 新型仿生魚(yú)系統(tǒng)流程圖

3.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

通過(guò)溫度、流速等傳感器，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)管等功能。為構(gòu)建智能仿生魚(yú)，設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用方案，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被應(yīng)用于智能仿生魚(yú)的環(huán)節(jié)如下：數(shù)據(jù)采集、分析、處理，設(shè)備遠(yuǎn)程控制，RFID 無(wú)線射頻技術(shù)，云平臺(tái)。

3.3 紅外避障技術(shù)

采用紅外漫散傳感器采集所處環(huán)境障礙物的信息，該傳感器工作原理為紅外光發(fā)射端所發(fā)出的光線遇障礙物被反射，紅外接收端檢測(cè)到信號(hào)時(shí)產(chǎn)生微弱控制電流至三極管內(nèi)部的基極完成三極管的導(dǎo)通。三級(jí)管導(dǎo)通前后集電極和發(fā)射極之間出現(xiàn)明顯的電勢(shì)差。通過(guò)單片機(jī)對(duì)該電勢(shì)差的判斷（有障礙呈現(xiàn)高電平，無(wú)障礙呈現(xiàn)低電平），間接獲取周?chē)系K信息。這種工作方式效率高，成本低，操作簡(jiǎn)便，具有很高的可實(shí)施性。新型仿生魚(yú)避障系統(tǒng)流程如圖3 所示。

圖3 新型仿生魚(yú)避障系統(tǒng)流程圖

3.4 GPS 定位返航技術(shù)

采用GPS+LBS+Wi-Fi 的多重定位模式實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械仿生魚(yú)的定位，給機(jī)械仿生魚(yú)安裝一個(gè)具有GPS+Wi-Fi+LBS 多重定位模式的GPS 定位器。由于每個(gè)GPS 廠家都有自己相應(yīng)的電腦管理平臺(tái)和手機(jī)APP。安裝好GPS 定位器后，可用手機(jī)下載指定APP，用賬號(hào)密碼登錄，就可在APP 上查看仿生魚(yú)位置、回放電子圍欄與歷史軌跡。

在實(shí)現(xiàn)魚(yú)類生物仿生和群體仿生的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)其仿生行為和傳感器進(jìn)行大量數(shù)據(jù)收集，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)將信息傳至PC 端，通過(guò)計(jì)算機(jī)分析大量數(shù)據(jù)，把一大批雜亂無(wú)章的數(shù)據(jù)中的信息集中和提煉出來(lái)，從而找出所研究小白須公魚(yú)類游動(dòng)的內(nèi)在規(guī)律。因?yàn)轸~(yú)類在洄游過(guò)程中會(huì)依靠自身復(fù)雜敏感的感覺(jué)器官（如視覺(jué)、味覺(jué)、側(cè)線系統(tǒng)等）和中樞神經(jīng)系統(tǒng)，接受外界物理的、化學(xué)的定向信息，人類對(duì)某些水域的破壞，導(dǎo)致魚(yú)類食欲亦會(huì)下降，小白須公魚(yú)類會(huì)減少游動(dòng)，因此通過(guò)大量數(shù)據(jù)可分析出哪些水域遭受到了非具體污染物的破壞。此技術(shù)可幫助人們作出判斷，以便采取適當(dāng)行動(dòng)減少對(duì)河流的污染。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前仿生機(jī)器魚(yú)已成為仿生技術(shù)研究的熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)的水下機(jī)器人進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)它具有推進(jìn)效率高、耗能少、噪聲低、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[9]。從未來(lái)發(fā)展規(guī)劃來(lái)看，仿生機(jī)器魚(yú)如何達(dá)到足夠仿生是研究人員一直追求的目標(biāo)。目前技術(shù)通過(guò)模擬魚(yú)類的柔性游動(dòng)，從而可簡(jiǎn)化仿生機(jī)器魚(yú)的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在已有一些仿生推進(jìn)器采用模塊化結(jié)構(gòu)，例如美國(guó)的東北大學(xué)開(kāi)發(fā)的臀鰭推進(jìn)器采用了16 個(gè)相同的模塊。目前的仿生機(jī)器魚(yú)推進(jìn)裝置雖具有一定的動(dòng)作柔性，但還遠(yuǎn)不及水中生物，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，推進(jìn)仿生魚(yú)的仿生柔性將大大提高游動(dòng)仿生機(jī)器魚(yú)的推進(jìn)效率和適應(yīng)。然而，隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，相信不久的將來(lái)，仿生機(jī)器魚(yú)必將是未來(lái)水下機(jī)器人的重要組成部分，成為人類探索海洋的重要工具。