摘要：海洋生物游泳的效率、机动性、灵敏性和鲁棒性远远高于机器人，这为仿生游泳机器人设计提供了丰富的灵感来源。其中，蝠鲼因其独特的生物学特征，如背腹扁平的身体和大幅扩展的胸鳍，备受关注。

海洋生物游泳的效率、机动性、灵敏性和鲁棒性远远高于机器人，这为仿生游泳机器人设计提供了丰富的灵感来源。其中，蝠鲼因其独特的生物学特征，如背腹扁平的身体和大幅扩展的胸鳍，备受关注。

2022年11月，来自北卡罗来纳州立大学的研发团队受蝴蝶划水和蝠鲼游泳启发，研发出一种节能的软体机器人，它的游泳速度可达到3.74BL/s（每秒3.74个身体长度）的平均速度。

历时两年，该团队打破了自己创造的软体机器人游泳速度最快的纪录。

通过设计优化，研发团队成功开发出一种新型软体机器人，游泳速度达到6.8BL/s（每秒6.8个身体长度），并能在水下游泳。相比2022年的“双稳态”设计，新机器人能耗降低1.6倍。

该项研究以论文“Spontaneous snapping-induced jet flows for fast, maneuverable surface and underwater soft flapping swimmer”为题于近日发表于《Science Advances》期刊上。

双稳态的软体机器人

老款机器人不依赖于分布式复杂的电气或液压系统，而是依靠双稳态柔性机翼来产生向前运动，实现较高的游泳速度和效率。

双稳态翅膀，很像发夹，有两种稳定状态。通过添加足够的外部刺激，可以“切换”状态，这通常伴随着存储能量的快速释放。但是一个周期性的拍打运动需要两个驱动输入和四步驱动序列，增加了设计的重量和复杂性，限制了速度和能效。

双稳态策略的局限性

双稳态策略在实现高速前进的同时，带来了能效不高、设计和控制复杂性增加的问题。并且，这类机器人受限于在水面附近游泳，难以通过增加额外重量或改进驱动方式来适应水面以及水下不同深度游泳的需求。

此外，在复杂多变的水下环境（如弱光照、多扰动、强耦合、时变及非结构化条件）中，游泳机器人的机动性和碰撞恢复力（机器人在碰撞后能够迅速恢复到稳定运动状态的能力）等问题仍有待深入探索。

成长进化——简化结构，提升驱动速度！

●深度游泳

在水的世界里，浮力是个非常重要的物理原理。很多鱼类通过调整鱼鳔内的气体体积，来改变自身的密度，从而在水中自由升降。

-当鱼鳔内充满气体时，鱼体的密度减小，鱼就能上浮；

-当鱼鳔内的气体被排出时，鱼体的密度增大，有助于鱼体下潜。

受鱼类的启发，软体机器人中的流体腔室在填充或充气后会发生形变，这种形变可以转化为机器人的运动。

新型机器人继续沿用了蝠鲼形状的鳍部设计，其宽大的鳍部采用特殊材料制成以确保张开时的稳定性，并与一个包含可充气腔室的柔性硅胶主体相连。通过控制腔室的充气状态，鳍部能在充气时弯曲模拟蝠鲼的下划动作，为机器人提供动力，而在释放气体时则自动回弹至初始位置，准备下一次动作。

研究团队通过实验发现，通过控制鳍部的拍打速度，可以有效地调节机器人在水中的浮力和游泳深度。

当机器人快速拍动鳍部时，产生的向下喷射水流会使机器人上升；而当减慢拍打频率时，机器人会稍微下沉，从而能够潜水或在同一深度游泳。此外，当鳍部静止或缓慢拍动时，空气腔室填充不足，浮力降低；当鳍部快速拍动时，空气腔室得到充分填充，浮力增大。

这一发现实现了能量的有效引入与释放，仅需一个驱动器即可驱动，大大简化了机器人结构并显著提升了驱动速度。

●快速恢复

传统的双稳态设计虽然能够提高机器人的性能，但存在无法快速响应碰撞和恢复力不足等问题。

为了克服这些局限性，研究人员提出了一种新的策略，即利用软体机器人中的单稳态不稳定性来实现快速、节能和灵活机动。

单稳态翼只有一个稳定状态，在驱动时能够快速通过到一个不稳定状态，并在去驱动时自发地快速回到其原始的稳定状态，且这一过程不消耗额外的能量。采用这种单稳态翼的策略，机器人只需要一个驱动输入即可实现周期性拍打运动，极大地简化了驱动、设计和控制过程。这不仅提高了机器人的性能，还增强了其在水下与障碍物碰撞后的恢复力。

●运动波形

运动波形对海洋生物和游泳机器人的推力产生、效率和游泳速度都有重要影响。

正弦波形的运动：蝠鲼及其仿生机器人的鳍部运动主要是正弦波形。在流体力学中，这种正弦波形运动会形成传统的反向卡门涡街（一种在流体中形成的旋涡模式），从而产生一个单射流尾迹，这个尾迹是推力产生的主要来源。

非正弦波形的运动：非正弦波形运动（例如方波形）能够产生比正弦波形运动高四倍的推力。这种推力的增加是通过方波运动中的突然启动和停止来实现的，这些动作产生了涡偶极子，导致了分叉的双射流尾迹的形成。

非正弦波形运动为提高软体游泳机器人的推力、游泳速度和效率提供了新的可能性和策略。这种方波形运动产生了分叉的射流以提高推力，实现了迄今为止最快的游泳速度（6.8BL/s），同时相比双稳态设计消耗的能量减少了1.6倍。

此外，单稳态设计还实现了双稳态设计中无法实现的独特功能，如仅通过调整驱动频率即可在不同深度游泳、以高碰撞恢复力通过简单的水下垂直障碍物路线以及促进了无缆设计。

实验验证

为了展示软体机器人的功能，研究团队进行了两种方式的实验。首先，他们让机器人在水箱表面和底部设置的障碍物路线中进行导航。其次，他们证明了这款无缆机器人能够在水面拖曳包括其自带空气和动力源在内的负载。研究人员强调，尽管这是一个高度精密的设计，但其基本原理相对简单。机器人仅需一个驱动输入即可在复杂的垂直环境中导航。

虽然目前这项工作仍然有一定的局限性，但未来研究人员将继续改进侧向移动技术，并探索其他驱动模式，以期在保持设计简洁性的同时，进一步提升系统的功能性和实用性。

论文信息：

Haitao Qing et al, Spontaneous snapping-induced jet flows for fast, maneuverable surface and underwater soft flapping swimmer, Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adq4222. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq4222

文章来源：机器人技术与应用

来源：黑兔说科学