摘要：自然界中的水生生物因其生活环境和捕食方式的差异，演化出了多种多样的游动策略。在这些策略中，头足类动物，例如鱿鱼和鹦鹉螺，通过从其腔体中快速喷射水流来实现快速游动，从而具有游动速度快、能量效率高等优势，同时具备静音、结构简单、适应环境广等特点。

自然界中的水生生物因其生活环境和捕食方式的差异，演化出了多种多样的游动策略。在这些策略中，头足类动物，例如鱿鱼和鹦鹉螺，通过从其腔体中快速喷射水流来实现快速游动，从而具有游动速度快、能量效率高等优势，同时具备静音、结构简单、适应环境广等特点。

但人工模仿这种高效推进方式存在挑战：目前尚缺乏一种能像生物肌肉一样在水下同时实现高驱动应变、高驱动力和高驱动速度的人工肌肉，因而无法有效驱动封闭性柔性腔室快速喷射水体，完成高效喷水推进。

▍突破水下驱动瓶颈，研发新型仿生喷射机器人

近期的研究发现，将液晶弹性体(LCE)纤维通过绳结结构编织成肌肉后，其在水下甚至深海环境中的驱动性能可获得显著提升，并表现出优异的力学响应和环境适应性。然而，这种人工肌肉在水下的驱动速率仍显不足，单靠其自身的牵拉作用难以实现对腔室的快速挤压，因此尚难满足高频、高流量喷射推进的严苛要求。

针对这一问题，来自北京大学的刘珂研究员团队进行了深入研究，并提出了一种实现水下仿生喷射的可缩放机器人设计方案。该机器人的推进力源于一种创新设计策略，集成了导电绳结人工肌肉、仿折纸软壳和机载控制模块。基于液晶弹性体的导电绳结人工肌肉在水下具备大变形和大驱动力的特征，通过仿折纸软壳积蓄人工肌肉的牵引力，可在其达到一定阈值时，触发屈曲极限，从而快速收缩软壳，实现高效的水体喷射。整个系统可通过机载控制模块和电池轻松操控，实现无缆游动。

在这一驱动机制下，机器人最高可实现每秒0.6个体长的游泳速度。通过集成控制模块并放大整体尺寸，该机器人还能实现无缆水下推进，单次喷射循环游动距离达15厘米。此外，该系统展现出优异的鲁棒性，即使在人工肌肉部分受损的情况下仍能保持正常的推进能力。通过复合集成由形状记忆合金制成的尾舵，机器人还能够在红外光控制下实现转向游动。

日前，该研究成果的相关论文已以“Scalable jet swimmer driven by pulsatile artificial muscles and soft chamber buckling”为题在《Advanced Materials》上发表。论文第一作者为北京大学博士生陈雯慧，通讯作者为刘珂研究员，共同作者还包括朱驰研究员。该项研究成果获得了国家重点研发计划智能机器人专项和国家自然科学基金的资助。

▍三大创新成果：仿生水下喷射软体机器人的系统设计

水下仿生喷射软体机器人基于智能材料与智能结构的协同设计，结合了可在水下实现大线性应变和高输出力密度的导电绳结人工肌肉、受折纸结构启发的软壳以及定制控制模块。具体来说：

绳结人工肌肉(Knotted Artificial Muscles, KAM)

研究团队开发的高性能绳结人工肌肉通过创新材料设计和制造工艺，解决了传统人工肌肉在水下环境中驱动力不足、驱动变形小等关键问题，大幅提升了水下软体机器人的驱动能力。

在KAM制备上，研究团队首先通过3D打印技术制作了500微米直径的液晶弹性体(LCE)纤维，这种材料具有78℃的相变温度，能实现可逆收缩。在核心工艺环节，研究团队采用了一种创新的水涡旋方法：通过利用400转/分钟的旋转磁子在水中产生涡流，使7微米直径的极细不锈钢纤维在向心力作用下均匀包覆在LCE纤维表面，形成具有导电性能的人工肌肉纤维。为增强驱动力，实现最佳的力-应变平衡，研究团队经多次尝试后将8根导电人工肌肉纤维集合成束，编织成具有绳结结构的人工肌肉。

水下环境的复杂性一直是人工肌肉面临的主要挑战。为此，研究团队开发了一种创新的防水解决方案，通过使用分子量10000的未固化丁基橡胶防水涂层，成功解决了水下散热难题，使其水下驱动应变从35%提升至55%，循环寿命从675次大幅延长至5000次以上，高输出力密度达到6 N/g。同时，KAM表现出超强的负载能力，能量密度达到100J/kg，是生物肌肉的两倍，可举起自身重量900倍的物体。即使在50%纤维束损坏的极端情况下，KAM也仍能保持30%的驱动应变，展现出优异的鲁棒性。

受折纸结构启发的软壳

尽管KAM性能优异，但仍面临与其他柔性驱动器相同的挑战：其在水下的变形速率仍然不足以产生较大的喷射水流。为此，研究团队受鹦鹉螺的游泳机制启发，进一步设计了一种受折纸结构启发的软性屈曲壳体。

该仿折纸软壳利用倒模工艺由弹性硅胶制备，可在较大的尺寸范围内缩放而不影响其驱动性能。其核心创新在于其独特的"临界触发"工作机制。研究人员发现，当KAM的拉力达到临界值前，软壳保持稳定形态积蓄能量；一旦超过阈值，软壳会触发屈曲极限，在极短时间内快速收缩，实现高效的水体喷射。

这种工作模式完美解决了传统设计中能量转化效率不足的问题。流体仿真与实验结果表明，软壳在受拉屈曲和弹性恢复两个阶段均可产生可观的推进力，使机器人实现最高达0.6体长每秒的游泳速度。此外，实验还验证了即便在人工肌肉受损的情况下，折纸软壳依然能够保持屈曲响应，提升水下喷射机器人的鲁棒性。

在实际应用中，研究团队提出的仿折纸软壳与球体软壳相比，压缩的突然性更强、所需要的平均力更低。

定制控制模块

通过将这样的水下喷射机器人设计扩大一倍尺寸再与控制模块（含电池）相结合，研究团队实现了水下仿生喷射软体机器人的无缆水下驱动。

研究团队在软性屈曲壳体两侧引入单向软管阀后，机器人在软壳屈曲排水与回弹吸水的过程中能够产生方向一致的水流，从而实现有效推进。

通过集成控制模块，该机器人还能实现无缆水下推进，单次喷射循环游动距离达15厘米。利用形状记忆合金薄片制成的尾舵，无缆水下机器人还能在红外光的驱动下实现导向游动，展现出了灵活的可操控运动能力。

▍结语

该研究融合了智能材料与智能结构，通过其协同设计，构建了能在水下进行高效仿生脉冲喷射的软体机器人。该设计方案为水下软体机器人设计提供了全新的思路，展示了软体结构静音驱动的巨大潜力。未来，通过在该类喷射软体机器人上集成更完善的功能模块和控制系统，有望实现其在水下复杂环境的自主巡航和探测。

参考文章：

北京大学刘珂课题组-博士后招收启事

北京大学刘珂课题组诚聘博士后，背景专业不限，与课题组研究方向契合者优先。优秀者可推荐博新计划或博雅博后。

刘珂，北京大学先进制造与机器人学院研究员，国家级青年人才，经血管植入器械全国重点实验室学术顾问。2013年于浙江大学获学士学位，2019 年获得美国佐治亚理工学院博士学位，师从美国工程院院士Glaucio H. Paulino教授，并荣获年度最佳博士论文奖。2019年至2021年任美国加州理工学院任博士后研究员。主要研究方向为柔性结构与软体机器，包括柔性结构力学、软体机器人、可展结构、超材料、人工智能设计算法等。入选爱思唯尔2024全球前2%顶尖科学家“年度影响力”榜单。以第一作者或通讯作者在Science、Science Robotics、Advanced Materials、Nature Communications、Advanced Science、PRL等国际知名期刊发文20余篇。2022 年荣获美国机械工程师协会（ASME）授予的梅尔维尔奖章（Melville Medal），2023年获熊有伦智湖优秀青年学者奖。

联系方式：liuke@pku.edu.cn

来源：机器人大讲堂