基於層次式框架的機器魚運動控制：結合尖峰神經網路與中央模式生成器
在深藍的海域中，一群機器魚正自由穿梭。它們的外觀和動作都極似真正的魚類，這要歸功於一個精心設計的控制系統。這個系統可以簡單地分成兩部分：一個“智慧大腦”和一個“強健肌肉”。 試想一下清晨，當第一縷陽光灑在海面上，珊瑚礁在柔和的光線下閃爍，一條閃亮的機器魚悄然出現。它每一次擺尾或轉向，都不是隨意的，而是由內部的控制系統精準指揮。 這個系統的第一部分是“智慧大腦”（尖峰神經網路，SNN），它就像我們的大腦一樣，負責接收來自水流、障礙物、甚至溫度變化等各方面的環境訊息。接著，這些訊息被轉換成簡單的“開/關”指令。 第二部分是“強健肌肉”（中央模式生成器，CPG），類似於我們身體中的肌肉。根據大腦發出的指令，這部分調整著機器魚每個關節的運動頻率和幅度，確保每一個動作都平滑而協調。 圖1. 分層控制架構示意圖。展示了機器魚如何藉由上層的尖峰神經網路（智慧大腦）處理環境感知，再透過下層的中央模式生成器（強健肌肉）發出運動指令，實現自適應的水下運動控制。 當遇到海流變化或障礙物時，機器魚能迅速做出反應。系統中還設有一個“安全閥”——當信號過強時，它會自動調整，保證整個系統始終運作在穩定範圍內，就像汽車的速度限制器一樣。 這樣的設計不僅使機器魚在複雜水域中游刃有餘，也為未來多關節、多自由度的仿生機器人打開了新大門。從水下探測到環境監測，甚至救援行動，這項技術都具有廣闊的應用前景。正如智能家居讓我們的生活更便捷，這種控制系統也將使機器人更靈活、更具適應性。 圖2. 仿生機器魚設計圖。呈現了機器魚的外觀與結構，包括胸鰭、尾鰭及多關節驅動設計，突顯其模仿真實魚類動作的設計理念。 總之，這個看似簡單的系統，實際上融合了先進的智慧和精妙的工程設計。通過“智慧大腦”迅速捕捉環境信息，再由“強健肌肉”精確執行，每個動作都在完美平衡中展開，為我們展示了未來水下智能機器人的藍圖。 撰文：林樂瑞 參考資料：Wang, M., Li, X., Zhang, Y., Chang, Z., & Yu, J. (2019). Locomotion control of robotic fish with a hierarchical framework combining spiking neural networks and CPGs. In Proceedings of the 9th IEEE ...
