文章來源：機(jī)器人大講堂。

地球表面71% 被海洋覆蓋，這片孕育生命的藍(lán)色疆域不僅蘊(yùn)藏著海量自然資源，更是調(diào)節(jié)全球生態(tài)的關(guān)鍵樞紐。然而，超過 90% 的海洋區(qū)域仍處于人類探索的 “盲區(qū)”，加之人類活動(dòng)對(duì)海洋環(huán)境的影響日益加深，對(duì)深海進(jìn)行低干擾、長(zhǎng)時(shí)程、高適應(yīng)性的監(jiān)測(cè)，已成為海洋科學(xué)與生態(tài)保護(hù)的迫切需求。

傳統(tǒng)水下探測(cè)設(shè)備卻難以突破環(huán)境局限：依賴螺旋槳等剛性部件的機(jī)器人，雖推力強(qiáng)勁，卻在復(fù)雜流場(chǎng)、狹窄空間或脆弱生態(tài)區(qū)“水土不服”，容易卡在礁石縫隙中。而仿生機(jī)器魚憑借柔軟可變形的身體和仿生泳姿展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，仍面臨游動(dòng)模式單一、深海極端溫度及非結(jié)構(gòu)化環(huán)境適應(yīng)性差等難題。機(jī)器魚既能夠在狹窄空間穩(wěn)定穿行、又能夠在開闊水域歡快地游動(dòng)，是仿生機(jī)器魚設(shè)計(jì)的核心挑戰(zhàn)。

而浙江大學(xué)研發(fā)的這款仿生機(jī)器魚，恰恰打破了這一困境。它跳出傳統(tǒng)水下探測(cè)裝置的設(shè)計(jì)框架，通過創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)/變形系統(tǒng)，為復(fù)雜海洋環(huán)境下的低干擾探測(cè)與生態(tài)監(jiān)測(cè)，開辟了全新路徑。

這項(xiàng)研究，近期以“Multifunctional robotic fish with post-buckling notched plates”為題發(fā)表在了Cell旗下期刊Cell Reports Physical Science上。論文作者包括尹瀟鋒、楊虎嘯、張超、余釗圣、李鐵風(fēng)、徐彥，共同通訊作者為徐彥教授和李鐵風(fēng)教授。

▍獨(dú)特創(chuàng)新設(shè)計(jì)，后屈曲缺口板的巧妙應(yīng)用

研究團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的驅(qū)動(dòng)/變形系統(tǒng)，核心是一種稱為“后屈曲缺口板”（PBNP）的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)模仿了蝠鲼的胸鰭，通過巧妙的機(jī)械結(jié)構(gòu)將微小的線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為大幅度的鰭片拍動(dòng)。

系留機(jī)器魚設(shè)計(jì)及工作原理

這個(gè)系統(tǒng)的精妙之處在于其簡(jiǎn)潔而高效的工作原理。機(jī)器魚的身體內(nèi)裝有一個(gè)流體驅(qū)動(dòng)線性致動(dòng)器（FDLA），它通過真空壓力收縮，拉動(dòng)連接桿壓縮PBNP的缺口處。這種壓縮會(huì)引發(fā)PBNP的可逆屈曲變形，就像我們彎曲一張信用卡然后看它彈回原狀一樣，但更加可控和高效。

研究團(tuán)隊(duì)為它建立了專門的理論模型，發(fā)現(xiàn)它的變形可以簡(jiǎn)化成“從扇形平面到圓錐面的轉(zhuǎn)變”，只要確定了初始缺口角、安裝半徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)，就能精準(zhǔn)分析得到 “輸入壓縮位移” 和 “輸出彎曲角度” 的關(guān)系。

PBNPs的變形能力

為了驗(yàn)證這個(gè)模型，團(tuán)隊(duì)還做了有限元模擬和實(shí)物實(shí)驗(yàn)，理論、模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合，表明彎曲角度隨收縮位移單調(diào)增加，證明了PBNP 變形的可控性。更加實(shí)用的是，這個(gè)系統(tǒng)具有變形放大特性，僅僅幾毫米的壓縮位移就能產(chǎn)生幾十度的彎曲角度。

此外，PBNP 的變形還能通過結(jié)構(gòu)參數(shù)定制。在相同壓縮位移下，安裝半徑越小，彎曲角度越大；初始缺口角越大，彎曲角度也越大。比如安裝半徑從40 毫米縮小到 30 毫米，同樣壓縮 5 毫米，彎曲角度能從 35 度增加到 48 度。不過材料厚度對(duì)變形影響不大，卻會(huì)影響驅(qū)動(dòng)力和結(jié)構(gòu)剛度，最終研究團(tuán)隊(duì)把厚度定在了 0.6 毫米，兼顧了變形效率和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

機(jī)器魚的游動(dòng)姿態(tài)和性能，主要由三個(gè)驅(qū)動(dòng)參數(shù)精密調(diào)控：真空壓力、頻率和占空比（機(jī)器魚在一個(gè)周期內(nèi)由真空壓力驅(qū)動(dòng)的時(shí)間比例）。

這些參數(shù)對(duì)胸鰭拍動(dòng)的直接影響，決定了機(jī)器魚的游泳性能。研究發(fā)現(xiàn)，提高真空壓力或增加占空比，會(huì)使得驅(qū)動(dòng)器的收縮力更大或收縮時(shí)間更長(zhǎng)，從而導(dǎo)致胸鰭的拍動(dòng)幅度顯著增大。而驅(qū)動(dòng)頻率的影響則更為有趣和關(guān)鍵：在低頻段（0-4 Hz），頻率增加會(huì)導(dǎo)致拍動(dòng)幅度明顯下降；但在高頻段（4 Hz以上），拍動(dòng)幅度隨頻率的變化會(huì)趨于穩(wěn)定。

驅(qū)動(dòng)參數(shù)對(duì)胸鰭拍動(dòng)的影響

▍“撲翼”與“振蕩”雙模式，適應(yīng)不同環(huán)境的智能切換

驅(qū)動(dòng)參數(shù)的變化，自然而清晰地將機(jī)器魚的游泳行為劃分為了兩種模式：在低頻區(qū)，通過調(diào)節(jié)壓力和占空比可以靈活控制大幅度的拍動(dòng)，此為“撲翼模式”，適用于快速推進(jìn)和高效巡航；在高頻區(qū)，胸鰭進(jìn)行小幅度、高頻率的穩(wěn)定振蕩，此為“振蕩模式”，適用于穩(wěn)定穿梭和狹窄空間。

如同自然界中的魚類會(huì)根據(jù)環(huán)境調(diào)整泳姿—— 這兩種模式的無縫切換，正是其適應(yīng)復(fù)雜場(chǎng)景的核心能力。

撲翼模式：在低頻范圍（0-4 Hz）內(nèi)，PBNP 能充分彎曲，通過大幅度拍動(dòng)胸鰭推進(jìn)（拍動(dòng)幅度最大可達(dá) 60°）。在這種模式下，機(jī)器魚表現(xiàn)出色，最快速度可達(dá)1.43體長(zhǎng)/秒，接近先前報(bào)道的采用單向彎曲驅(qū)動(dòng)器的機(jī)器魚的最大速度。更重要的是，它的能耗極低，最低運(yùn)輸成本（CoT）僅為3.3，意味著它能夠高效地進(jìn)行長(zhǎng)距離巡航。

撲翼模式下的游泳性能

觀察發(fā)現(xiàn)，在撲翼模式下，機(jī)器魚在胸鰭上下拍動(dòng)后會(huì)進(jìn)入慣性滑行階段，類似于生物魚類中常見的“爆發(fā)式滑行”運(yùn)動(dòng)模式。這種策略讓它能夠在一個(gè)周期內(nèi)游動(dòng)兩倍于自身體長(zhǎng)的距離，充分利用每次拍動(dòng)產(chǎn)生的推進(jìn)力，實(shí)現(xiàn)能量節(jié)約型巡航。

振蕩模式：在高頻范圍（4 Hz以上），機(jī)器魚的胸鰭進(jìn)行小幅度、高頻率的振蕩。雖然這種模式下的游泳速度（最快0.55體長(zhǎng)/秒）和效率均低于撲翼模式，但它有一個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，那就是此模式下的游泳姿態(tài)更加平坦穩(wěn)定。

振蕩模式下的游泳表現(xiàn)

在振蕩模式下，機(jī)器魚身體的垂直波動(dòng)小于5.5毫米，僅為其自身厚度的0.17倍，胸鰭的運(yùn)動(dòng)幾乎完全限制在身體厚度范圍內(nèi)。這種低干擾的游泳方式使機(jī)器魚能夠在狹窄空間內(nèi)靈活穿梭，而不會(huì)碰撞障礙物。此外，該模式還展現(xiàn)出可觀的有效載荷能力——能夠承載自身重量54倍的浮動(dòng)負(fù)載穩(wěn)定游動(dòng)。

▍硬核適應(yīng)力，極端條件下的挑戰(zhàn)與驗(yàn)證

為應(yīng)對(duì)復(fù)雜的海洋環(huán)境，這款機(jī)器魚在設(shè)計(jì)上展現(xiàn)了卓越的環(huán)境適應(yīng)性。

首先是耐極端溫度。由于PBNP 的材料通用性，研究團(tuán)隊(duì)給它換上耐高溫的聚碳酸酯 PBNP 后，它能在 0.6℃的冷水里正常游動(dòng)，甚至能拍動(dòng)胸鰭推開浮冰；換成耐溫材料后，又能在 87.2℃的熱水里工作。這個(gè)溫度范圍，覆蓋了從極地近海到海底熱泉邊緣的大多數(shù)水域。

在運(yùn)動(dòng)性能的表現(xiàn)上，這款機(jī)器魚展現(xiàn)出強(qiáng)大的能力。在流動(dòng)的水里，無論是在靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)還是初始后退速度，機(jī)器魚都能夠逆水游動(dòng)，展現(xiàn)出對(duì)抗水流的強(qiáng)大推進(jìn)力；在障礙物應(yīng)對(duì)方面，機(jī)器魚展現(xiàn)出兩種與環(huán)境障礙物交互的能力：在撲翼模式下可強(qiáng)力擊打障礙物，在振蕩模式下則可輕柔推開障礙物。

此外，機(jī)器魚能夠在兩種模式間無縫切換，以應(yīng)對(duì)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境。實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器魚使用撲翼模式在寬闊水域快速巡航，然后切換為振蕩模式平穩(wěn)穿過僅42毫米寬的縫隙。

機(jī)器魚的環(huán)境適應(yīng)性

更值得注意的是它的耐久性。研究團(tuán)隊(duì)讓機(jī)器魚連續(xù)進(jìn)行了11 萬次胸鰭往復(fù)拍動(dòng)（相當(dāng)于連續(xù)工作 15 小時(shí)），之后測(cè)試發(fā)現(xiàn)，它的推力幾乎沒有下降，游動(dòng)速度還能保持 15.5 厘米 / 秒。這種高強(qiáng)度工作的能力，讓它能長(zhǎng)時(shí)間在野外執(zhí)行監(jiān)測(cè)任務(wù)。

▍多功能集成：一機(jī)多用的智能平臺(tái)

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)還開發(fā)的非系留式機(jī)器魚版本，它通過一種高度集成的多功能策略，將驅(qū)動(dòng)、推進(jìn)、監(jiān)測(cè)與通信等功能完美融合在一個(gè)緊湊的便攜包中。

這項(xiàng)設(shè)計(jì)的精髓在于其創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)策略，機(jī)器魚直接使用周圍水體作為驅(qū)動(dòng)介質(zhì)，不僅大幅提升了系統(tǒng)可靠性，還巧妙省去了復(fù)雜的閥門裝置。與此同時(shí)，這種液體驅(qū)動(dòng)機(jī)制自然而然地催生了混合推進(jìn)模式：當(dāng)機(jī)器魚將液體向后噴射時(shí)，產(chǎn)生的反作用力為其提供了額外的推力，實(shí)測(cè)使游泳速度提升了23%。結(jié)合模仿生物魚的爆發(fā)式滑行策略，這條機(jī)器魚在實(shí)現(xiàn)敏捷運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，還保持了極低的能耗水平，表現(xiàn)優(yōu)于大多數(shù)現(xiàn)有同類產(chǎn)品。

非系留機(jī)器魚的多功能集成

更巧妙的是，整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)扮演著環(huán)境感知者的角色。由于驅(qū)動(dòng)腔體內(nèi)的液體在游動(dòng)過程中持續(xù)與周圍環(huán)境交換，每一次胸鰭拍動(dòng)都相當(dāng)于一次水體采樣。科研人員在腔體內(nèi)集成了水質(zhì)傳感器，使得機(jī)器魚能夠?qū)崟r(shí)分析所處環(huán)境的水質(zhì)狀況。這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過無線模塊即時(shí)傳輸?shù)娇刂浦行?，而機(jī)器魚還具備分配試劑的功能——無論是液體飼料還是水處理劑，都能在游動(dòng)過程中均勻釋放。這套集驅(qū)動(dòng)、推進(jìn)、采樣、監(jiān)測(cè)、通信與分配于一體的智能系統(tǒng)，讓機(jī)器魚不再僅僅是運(yùn)動(dòng)的機(jī)器，而是成為了一個(gè)能在水產(chǎn)養(yǎng)殖等場(chǎng)景中執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的移動(dòng)工作站。

▍關(guān)于未來

后續(xù)研究中，進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)器魚的整體體型以減少游動(dòng)時(shí)的水動(dòng)力阻力，并結(jié)合更可靠的聲學(xué)通信模塊來擴(kuò)展檢測(cè)信號(hào)的傳輸范圍。此外，無系繩機(jī)器魚目前缺乏自主導(dǎo)航能力，后續(xù)將集成先進(jìn)的傳感技術(shù)，如視覺傳感器或光傳感器，以及改進(jìn)的控制算法，可以增強(qiáng)其智能和自主性。采用更廣泛的微型水質(zhì)傳感器（例如pH值和濁度）也將有助于更全面的環(huán)境監(jiān)測(cè)。

論文鏈接：

https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(25)00446-1