日前，西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院“自主水下航行器團(tuán)隊(duì)”，在國(guó)際著名期刊《Nature Communications》上發(fā)表了題為“Body Orientation Change of Neighbors Leads to Scale-free Correlation in Collective Motion”的原創(chuàng)性研究成果。西北工業(yè)大學(xué)“自主水下航行器”團(tuán)隊(duì)是中國(guó)工程院院士徐德民教授創(chuàng)建，由中國(guó)工程院院士宋保維教授擔(dān)任首席科學(xué)家，國(guó)家級(jí)領(lǐng)軍人才、國(guó)家級(jí)教學(xué)名師潘光教授擔(dān)任負(fù)責(zé)人。團(tuán)隊(duì)已先后被授予首批“國(guó)防科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”、首批“全國(guó)高校黃大年式教師團(tuán)隊(duì)”、首批陜西省“三秦”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、西北工業(yè)大學(xué)首批科研育人示范團(tuán)隊(duì)，獲“全國(guó)教育系統(tǒng)先進(jìn)集體”等榮譽(yù)，為我國(guó)軍民兩用海洋裝備建設(shè)和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)做出了重大貢獻(xiàn)。論文的第一作者為航海學(xué)院在讀博士研究生鄭志成，通訊作者是西北工業(yè)大學(xué)彭星光教授，西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院是該論文的唯一通訊單位。
近年來(lái)，生物集群行為中的信息傳遞與協(xié)調(diào)機(jī)制為自主無(wú)人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了重要啟發(fā)。盡管已有大量研究嘗試通過(guò)建立個(gè)體間的交互機(jī)制來(lái)復(fù)現(xiàn)靈活的群體運(yùn)動(dòng)，但這些機(jī)制通常假設(shè)個(gè)體具備全知全能的理想化感知能力。然而，在水下無(wú)人集群系統(tǒng)中，受限的通信條件極大地增加了集群個(gè)體獲取鄰居運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的難度。如何僅依靠簡(jiǎn)單的視覺(jué)感知，而無(wú)需依賴(lài)復(fù)雜的傳感器和通信設(shè)備，在弱通信約束環(huán)境下實(shí)現(xiàn)可靠的群體快速響應(yīng)，已成為水下無(wú)人集群系統(tǒng)協(xié)同控制亟待解決的核心挑戰(zhàn)之一。
團(tuán)隊(duì)針對(duì)這一熱點(diǎn)研究問(wèn)題開(kāi)展了涵蓋生物數(shù)據(jù)實(shí)證分析、交互機(jī)制理論建模及機(jī)器驗(yàn)證的全鏈條研究。通過(guò)從第一視角分析魚(yú)群集體轉(zhuǎn)向的軌跡數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)身體朝向變化更顯著的個(gè)體通常在轉(zhuǎn)向過(guò)程中扮演領(lǐng)導(dǎo)者角色，對(duì)群體方向的快速調(diào)整起到了關(guān)鍵作用?；谶@一實(shí)證分析，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于鄰居身體朝向變化的局部交互模型，通過(guò)優(yōu)先響應(yīng)身體朝向變化顯著的鄰居，不僅可以在群內(nèi)高效傳遞方向信息，使群體快速而準(zhǔn)確地完成避險(xiǎn)任務(wù)，還能促使群體自發(fā)涌現(xiàn)出尺度無(wú)關(guān)協(xié)同的宏觀(guān)現(xiàn)象。最終，成功將該機(jī)制應(yīng)用于由50臺(tái)微型輪式機(jī)器人組成的集群，展現(xiàn)出高效的群體響應(yīng)能力。這一發(fā)現(xiàn)為構(gòu)建低成本、高性能的水下無(wú)人集群系統(tǒng)提供了新質(zhì)感知要素。
圖1 生物數(shù)據(jù)實(shí)證分析、交互機(jī)制理論建模及機(jī)器驗(yàn)證的全鏈條研究
（審核：王銀濤）
