无人潜航器仿生推进技术专利分析
张鸣宇，李 峰，周 鹏
（北京海鹰科技情报研究所，北京 100074）
摘 要： 针对无人潜航器仿生推进技术的全球专利，结合科技文献等其他信息，分析主要国家该领域专利的申请态势、技术领域、专利布局、研发机构等内容，从专利的视角分析了无人潜航器仿生推进技术的发展，以期为相关机构提供参考。结果显示该领域处于快速发展期，专利数量增长迅速，中国申请人的专利数量较多，但专利质量同美国、日本存在差距。且美、日等国已在中国进行了专利布局，而中国申请人缺少国外布局。高校与科研机构应重视柔性驱动技术与智能材料应用的研究，提前进行专利布局，扩大无人潜航器仿生推进技术研发的产学研合作，弥补同发达国家的产业化差距。
关键词： 无人潜航器；仿生推进；柔性驱动；机器鱼；仿鱼机器人；专利分析；专利申请；专利布局
1 引 言
仿生推进无人潜航器，是以水生生物为模仿对象，综合了流体动力学、仿生学、导航控制、机械结构、电子、拓扑学和图像处理等多个学科，实现游动方式仿生的无人潜航器。
相比常规无人潜航器采用的螺旋桨或叶轮推进，仿海洋生物游动推进的潜航器，具有明显优势：第一，推进效率较高、能耗较低，克服了螺旋桨推进在产生推力的同时还产生的无用扭矩；第二，噪音较小，不易被发现；第三，结构尺寸和重量小，机动性强。因此，在海洋资源勘探、考古、污染源追踪等民用领域和水下攻击、侦察和扫雷等军用领域均可发挥重要的作用［1-3］。
鉴于无人潜航器仿生推进技术的重要作用，国内外相关机构开展了多年研究，做了众多仿蝠鲼、仿乌贼、仿龙虾、仿海龟等不同潜航器样机试验，同时也在全球范围内布局了部分专利。为全面掌握无人潜航器仿生推进技术的发展趋势和专利布局情况，本文基于Patsnap专利数据库，开展了全面检索和逐一筛选，共筛选出625 项直接相关专利。
先后考察了民勤人民在上世纪50年代，为解决水资源稀缺问题奋起建设的亚洲最大的沙漠水库——红崖山水库；考察了用沙漠植物梭梭固沙的宏伟工程。这两处浩大的工程为我们寻求适合进行艺术介入的路径，提供了一种精神性的感知。而当来到民勤最富有地域特征的沙漠之时，啊！这连绵起伏，苍茫浩瀚的大漠，不正是阐发民勤最好的窗口吗？不正是一处可以尽情地抒发艺术理想、讴歌民勤精神的绝佳之处吗？
2 专利申请趋势
无人潜航器仿生推进技术的专利申请状况可以分为三个阶段：第一阶段是20世纪90年代中期以前，主要侧重于仿生推进基础理论方面的研究和纯机械式游动设计；第二阶段是90年代中后期至2010年，伴随着自动化、电机驱动、新型材料技术的进步，人们开始了真正意义上的仿生推进无人潜航器的研制，专利申请缓慢增长，年申请量大多不超过20件；第三阶段是2011年至今，专利申请呈迅速增长态势，特别是由2014年的58件、2015年的59 件，到2016年暴发性增长为123 件，如图1所示。由于近两年的部分专利申请尚未公开，统计不完全，实际申请量更多。
无人潜航器仿生推进最早可追溯于1933年，由美国专利商标局受理的专利US1928418，申请人为Charles Garland，但受限于当时科技发展，技术方案仅用纯机械传动，未采用电机或柔性致动等现代驱动控制手段，仅用于浅海短距离航行。
图1 全球专利申请趋势图
Fig.1 Global patent application trend chart
表1 专利申请情况表
Table1 Table of patent application situation
图2 第一件仿生机器鱼专利US1928418附图
Fig.2 First bionic robotic fish patent
图3 仿金枪鱼潜航器实物图
Fig.3 Real object of biomimetic tuna unmanned underwater vehicle
第一件真正意义的仿生推进无人潜航器专利US5740750 由麻省理工学院水下机器人研究所Triantafyllou Michael团队于1996年申请。通过多年仿生机理基础研究和金枪鱼的游动实验，成功研制了世界上第一条真正意义上的仿生机器金枪鱼（RoboTuna）潜航器，长约1.2 米，由2843 个零件组成，具有高级推进系统，包括关节式铝合金脊柱、真空聚苯乙烯肋骨、网状泡沫组织，并用聚氨基甲酸酯弹性纤维表皮包裹，装有多台2马力的无刷直流伺服电动机（实际上只使用每台电机额定功率的十分之一）、精密轴承及电路等。机器鱼在多处理器控制下，通过摆动躯体和尾鳍，能像真鱼一样游动，速度可达2m/s［4］。
3 专利技术领域分布
图4 专利US5740750附图
Fig.4 Attached figure of patent US5740750
水游生物推进模式和潜航器仿生推进机理是研究的理论基础，包括对摆动波动、划动、水翼推进、射流反冲等运动形式的数学描述和运动机理解析计算［5-6］。在仿生推进机理研究的基础上，转化为工程实际过程中还涉及仿生推进模式设计、结构与机构设计、仿生推进驱动技术、控制及建模技术，专利检索和逐一判读筛选出的直接相关专利也几乎集中在这些领域。但同时，仿生机器鱼、仿生乌贼等现实产品的研制也依托了潜艇、鱼雷及常规潜航器等多数水下装备较为通用的技术，包括能源供给、浮力材料、导航通信技术等，甚至未来向金枪鱼高速游动技术的发展可能会涉及的超空泡技术等，但目前鲜有运用于仿生推进的专利申请，故不作为专利分析重点。
图5 全球专利技术领域分布图
Fig.5 Distribution map of global patent technology field
2.3.3 混播组合对混播植物MDA含量的影响 A2B0和A1B0组合禾草MDA含量显著高于其他组合(P<0.05)。猫尾草不同混播比例组合MDA含量普遍较低，为1.77～4.36 μmol/g(表5)，而披碱草为5.65～12.84 μmol/g，无芒雀麦为6.69～12.83 μmol/g，除A2B3外，其余组合均显著高于猫尾草组合(P<0.05)。在不同混播组合条件下，苜蓿MDA含量最高的组合是A2B1,显著高于A3B2，A3B3和A1B4组合(P<0.05)，其余混播组合间苜蓿MDA含量差异不显著(表6)。
专利申请人的国别构成如图6所示，其中专利申请量的国别排名依次是：中国（430）、美国（81）、日本（25）、韩国（24）和德国（14）。上述排名与无人潜航器仿生推进技术的研究热点区域基本吻合，美国和中国是目前世界上这一领域研究和专利申请的热点区域。但美国、日本、德国的申请人专利布局区域更广，如德国FESTO 公司的同一项专利在美、日、中、欧和世界知识产权组织均有布局。而国内申请人的专利几乎都只在中国布局，截至目前，国内只有江苏科技大学和广东尚鱼电子有国际专利申请，前者关于一种仿生胸鳍推进装置基于行星齿轮机构的专利US20170152011A1 在美国布局申请，广东尚鱼电子的创始人卢小平关于一种仿生鱼的驱动与控制方法及仿生鱼的专利CN102556310B在近40个国家/地区布局。
柔性变形与运动的驱动技术对于提高水下航行体大变形驱动、快速响应、灵敏控制、降低能耗和减轻重量仍是关键问题。各国在柔性驱动技术的专利申请量逐渐增多，但柔性驱动器、记忆合金等柔性材料应用于仿生推进领域的专利申请量还很少，柔性驱动未来的工程化应用仍将持续。举例来说，关于复杂曲面驱动器的研究尚处于探索阶段，现有的基于 IPMC（离子交换聚合金属材料）型柔性驱动器中，有的仅利用了IPMC的单自由度弯曲变形，有的虽然在研究多自由度弯曲变形但却未用到传感功能，而对于兼备传感功能和致动功能的阵列式柔性驱动器的分布设计及研究几乎空白，专利申请尚未发现。建议国内研发机构可以寻求电致动聚合物、压电材料、记忆合金、离子交换聚合金属等智能材料应用于水下航行体仿生推进设计中，解决无人潜航器仿生推进技术发展的瓶颈。
4 申请人国别分布
无人潜航器采用仿生推进方式在水下游动时，其展向截面形状为多项式曲线，通常有三种方法拟合曲线运动规律：刚性机构、柔性机构、智能材料。目前刚性机构的专利数量居多，无人潜航器仿生推进采用电机作为驱动源，依靠机械传动装置驱动推进器运动，因而存在整体结构复杂、传动装置易出现机械故障、难以实现大潜深等问题，近几年来出现的智能材料与柔性驱动仿生推进的专利在逐步克服原有缺陷。
图6 专利申请人国别分布图
Fig.6 Country distribution of patent applicants
5 国内相关研究分析
尚鱼电子科技有限公司和博雅工道机器人科技有限公司均为国内初创企业。尚鱼电子是一支小而强的团队，专注于消费级但具有较高技术含量的仿生机器鱼，通过申请专利，形成保护壁垒，再以知识产权与一些业内具有一定规模的公司合作，迅速将产品推向市场，通过收取专利授权费实现回报。例如研发出的微型机器鱼授权给世界最大的玩具商之一Zuru公司，2014年销售超过1000 万件，产品销售到80 多个国家，2015年还取得了迪斯尼的授权，2016年产品与电影同步开售。相应的，尚鱼电子也在全球40 多个国家布局了大量专利。博雅工道成立于2015年，由北京大学工学院博士团队创立，致力于推动水下潜航器从工业级走向消费级，为用户提供水下运动搭载平台以及水下摄影应用，目前拥有独立知识产权机器鱼产品两款，专利16 项。
[17][18][20][21][22]何中华：《人的存在的现象学之真理观》，《烟台大学学报(哲学社会科学版)》2017年第5期。
本试验主要考虑不同的有机试剂及用量、KOH甲醇溶液质量浓度及用量、提取温度和时间以及抗氧剂BHT用量对稻谷中叶黄素提取量的影响，用叶黄素提取量评价试验效果。
图7 中国论文发表量趋势
Fig.7 Chinese publication trend
图8 中国专利申请趋势图
Fig.8 Chinese patent application trend
2001年，我国出现了第一件仿生潜航器领域的专利申请：新型单关节仿生机器鱼，由北京航空航天大学梁建宏老师申请。中国无人潜航器仿生推进技术专利申请量自2001年后逐年上升。国内该领域专利申请经历了低速增长和高速增长两个阶段。2002年至2013年，专利总体量较少，但数量平稳上升，最多时，年申请32 项专利。但是在2013年后专利申请数量直线上升，2016年申请120项专利。一方面由于国内高校、中科院等科研机构获批的自然基金等项目较多，国有船舶、航天、电子、军工等集团在仿生水下装备领域的介入，另一方面国内有多家专注于消费级仿生机器鱼产品的初创企业成立。例如，杭州畅动智能科技公司2016年4月注册成立后，立即申请了44 项专利，博雅工道机器人公司的专利也大多为2016年申请。我国相关专利由之前全部为高校院所申请向民营初创企业大面积申请转变，且初创企业同高校院所合作紧密。
6 重要申请人分析
麻省理工学院水下机器人研究所M.Traintafyllou团队在无人潜航器仿生推进研究方面首屈一指，自20 世纪80年代就有多篇海洋生物游动机理方面的论文，在90年代初申请的专利US5401196中就证明水翼在一定的频率和振幅等参数组合下推进效率可接近90%，采用水翼法推进双肢协同克服了鱼尾单鳍摆动过程中的侧向力和重浮心偏移问题。1995年成功研制出世界上第一个真正意义的仿生推进无人潜航器，并在20 多年来不断改进升级，申请的专利数量不算多，但引用量很大，每篇专利涉及的内容很丰富。
图9 波士顿动力公司仿生鱼
Fig.9 Aquatic vehicle of boston
耐顿公司一直在生物力学界的研究浪潮中引领风骚，从自然界中撷取灵感设计水下机器人，专利US7007626公开了其四鳍驱动的仿生水下航行器Pilot Fish的技术方案。2008年耐顿公司被iRobot公司收购，成为iRobot公司海洋系统分部的初创和主体力量，专注于用于海洋勘探和军事侦察的自主水下潜航器研发。
表2 国际主要申请人
Table2 Main international applicants
表3 中国主要申请人
Table3 Main Chinese applicants
国内研究机构近两年的专利申请数量激增，但同美、日等国相比，专利几乎仅在中国本土进行布局。从专利撰写质量、创新点保护、重点专利对比来看，中国专利的权利要求数、引用数量、同族数量明显少于美国和日本的专利，例如查尔斯塔克德雷珀实验室申请的远海自主潜航器专利US6138604 引用达51 次，权利要求数24 个，而国内引用次数最多的专利CN101913419A被引用11 次，权利要求数7 个，独权2301 个字，其余从权平均10 多个字。建议我国相关研究机构提高无人潜航器仿生推进技术研发过程中的专利撰写质量，更好的运用于武器装备的立项和未来的国际化竞争。
国内无人潜航器仿生推进的相关论文最早出现于1995年，是东南大学陆金伟发表的介绍麻省理工学院研究成果的科普文章。国内论文发表数量从2002年开始大幅增长，2013年达到70篇。依托863 计划机器人主题技术、国家自然科学基金、国防基础科研等大量项目的支撑，目前处于平稳增长期。
7 结束语
中国科学院自动化所先进机器人与制造系统团队、水下装备研究团队自2001年以来聚焦水下仿生领域，从最初跟踪模仿到如今已具有大量自主知识产权。哈尔滨工程大学和江苏科技大学依托海军和海洋装备的传统优势拓展水下仿生领域。北京航空航天大学依托机器人研究所的专业积累，公开了智能材料、建模控制研究和机器鳗鱼、机器牛鼻鲼、机器海豚等样机试验产品的专利。中国科学技术大学自20世纪80年代就有多篇海洋生物游动机理、数学计算的论文，后依托信息控制的学科优势开展仿生潜航器样机的研制，专利数量不多，但系统性、延续性较强。
以仿生推进无人潜航器的波动鳍为例［7］，目前大多由有滑动关节的刚性段构件连接组成，采用液压、电磁或电机驱动，相较于运用柔性机构或智能材料的柔性驱动增加了复杂性和潜在故障点，且滑动接头需要适应不同距离的驱动元件，这是仿生推进系统中的一个常见问题。因此，无人潜航器仿生推进越来越离不开用于其航行体的柔性变形与运动的驱动器技术，要求其驱动变形大、响应快速、控制简单、能耗低且重量轻。随着仿生无人潜航器的微型化发展，智能材料的优势愈发明显［8］。目前专利申请较多并应用在仿生无人潜航器上的智能材料主要包括形状记忆合金、电致动聚合物、压电材料等。与传电机、液压带动齿轮、曲柄滑块等刚性驱动不同，柔性驱动摒弃了复杂的机械传动装置，通常以功能聚合物或者聚合物基复合材料为基础实现复杂终端运动。
根据仿生推进技术公开专利的实际情况，可分为仿生推进总体设计、结构与执行机构设计、控制与建模、仿生推进机理、仿生试验测试五大领域。全球仿生推进技术相关专利的技术领域分布如图5所示，涉及仿生推进总体设计的专利占73%，涉及结构与执行机构设计的专利占12%，建模与控制技术专利占11%，仿生推进基础理论的专利占4%。在仿生推进总体设计中，采用波动摆动推进技术方案的专利占绝大部分，喷射推进有69件，水翼推进和划动推进共22件。
国内在无人潜航器领域的专利申请主体主要是高校和科研院所，且大多处于工程化样机研发阶段。而美国和日本的创新主体大多是企业，与大学通过产学研结合实现了商业化运营。例如擅长仿生警用无人潜航器和两栖仿生潜航器的美国iRobot公司于1990年由美国麻省理工学院教授罗德尼布鲁克斯及其同事创立。建议国内高校加强潜航器技术孵化，同创新型微小企业紧密合作，弥补同发达国家存在的产业化差距。
参考文献
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Patent Analysis of Bionic Propulsion Technology of Unmanned Underwater Vehicle
ZHANG Mingyu，LI Feng，ZHOU Peng
（Beijing HIWING Scientific and Technological Information Institute，Beijing 100074，China）
Abstract： Aiming at the global patents of bionic propulsion technology for unmanned underwater vehicle，combining with other information such as scientific and technological literature.This paper analyses the patent application situation，technology field，patent layout，research and development institutions of major countries in this field.Meanwhile，it analyses the development of bionic propulsion technology for unmanned underwater vehicle from the perspective of patent，with a view to providing reference for relevant institutions.The results show that this field is in a period of rapid development，the number of patents is growing rapidly，the number of patents from Chinese applicants is larger，but the quality of patents is far from that of the United States and Japan.The United States，Japan and other countries have patent layout in China，in contrast，Chinese applicants neglect foreign layout.Universities and research institutes should attach importance to the research of flexible driving and intelligent materials，carry out patent layout ahead of time.It is vital to expand cooperation between industry，University and Research on this field，then eliminate the industrialization gap from China and developed countries.
Keywords： Unmanned Underwater Vehicle；Bionic Propulsion；Flexible Drive；Robotic Fish；Fishlike Robot；Patent Analysis；Patent Application；Patent Layout
中图分类号： U674.941
文献标识码： A
文章编号： 2096-5915（2019）02-0430-08
收稿日期： 2019-01-11；修回日期：2019-02-20
作者简介：
张鸣宇（1990-），男，硕士，工程师，主要研究方向为专利分析与科技咨询。
李 峰（1986-），男，硕士，工程师，主要研究方向为知识产权管理与专利分析。
衡量一个媒介成功的标准应该以科学、理性权威的角度进行考量，本文主要从媒介的相关性、反应度、媒介机会等对咪蒙微信公众号进行分析讨论。
周 鹏（1985-），男，硕士，工程师，主要研究方向为专利数据分析与信息系统开发。
在进行洋葱种植的过程中，首先种植基地应该选择土壤肥沃、有机质含量较高且水利条件优秀的地块，其中土壤有机质含量应尽量高于2%。在满足上述条件的基础上，还应该保证种植区域空气环境较好，周边五公里内不存在严重污染源。对于基地的环境质量应确保其为A级以上绿色食品环境质量的要求。这样才可以保证为无公害种植提供充分的地利条件。
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