浙大仿生机器鱼登CELL子刊,双游动模式展现卓越环境适应性

B站影视 电影资讯 2025-10-16 21:14 2

摘要:地球表面71% 被海洋覆盖,这片孕育生命的蓝色疆域不仅蕴藏着海量自然资源,更是调节全球生态的关键枢纽。然而,超过 90% 的海洋区域仍处于人类探索的 “盲区”,加之人类活动对海洋环境的影响日益加深,对深海进行低干扰、长时程、高适应性的监测,已成为海洋科学与生态

地球表面71% 被海洋覆盖,这片孕育生命的蓝色疆域不仅蕴藏着海量自然资源,更是调节全球生态的关键枢纽。然而,超过 90% 的海洋区域仍处于人类探索的 “盲区”,加之人类活动对海洋环境的影响日益加深,对深海进行低干扰、长时程、高适应性的监测,已成为海洋科学与生态保护的迫切需求。

传统水下探测设备却难以突破环境局限:依赖螺旋桨等刚性部件的机器人,虽推力强劲,却在复杂流场、狭窄空间或脆弱生态区“水土不服”,容易卡在礁石缝隙中。而仿生机器鱼凭借柔软可变形的身体和仿生泳姿展现出优势,仍面临游动模式单一、深海极端温度及非结构化环境适应性差等难题。机器鱼既能够在狭窄空间稳定穿行、又能够在开阔水域欢快地游动,是仿生机器鱼设计的核心挑战。

而浙江大学研发的这款仿生机器鱼,恰恰打破了这一困境。它跳出传统水下探测装置的设计框架,通过创新的驱动/变形系统,为复杂海洋环境下的低干扰探测与生态监测,开辟了全新路径。

这项研究,近期以“Multifunctional robotic fish with post-buckling notched plates”为题发表在了Cell旗下期刊Cell Reports Physical Science上。论文作者包括尹潇锋、杨虎啸、张超、余钊圣、李铁风、徐彦,共同通讯作者为徐彦教授和李铁风教授。

▍独特创新设计,后屈曲缺口板的巧妙应用

研究团队提出了一种全新的驱动/变形系统,核心是一种称为“后屈曲缺口板”(PBNP)的创新结构。这种设计模仿了蝠鲼的胸鳍,通过巧妙的机械结构将微小的线性运动转化为大幅度的鳍片拍动。

系留机器鱼设计及工作原理

这个系统的精妙之处在于其简洁而高效的工作原理。机器鱼的身体内装有一个流体驱动线性致动器(FDLA),它通过真空压力收缩,拉动连接杆压缩PBNP的缺口处。这种压缩会引发PBNP的可逆屈曲变形,就像我们弯曲一张信用卡然后看它弹回原状一样,但更加可控和高效。

研究团队为它建立了专门的理论模型,发现它的变形可以简化成“从扇形平面到圆锥面的转变”,只要确定了初始缺口角、安装半径等结构参数,就能精准分析得到 “输入压缩位移” 和 “输出弯曲角度” 的关系。

PBNPs的变形能力

为了验证这个模型,团队还做了有限元模拟和实物实验,理论、模拟和实验结果非常吻合,表明弯曲角度随收缩位移单调增加,证明了PBNP 变形的可控性。更加实用的是,这个系统具有变形放大特性,仅仅几毫米的压缩位移就能产生几十度的弯曲角度。

此外,PBNP 的变形还能通过结构参数定制。在相同压缩位移下,安装半径越小,弯曲角度越大;初始缺口角越大,弯曲角度也越大。比如安装半径从40 毫米缩小到 30 毫米,同样压缩 5 毫米,弯曲角度能从 35 度增加到 48 度。不过材料厚度对变形影响不大,却会影响驱动力和结构刚度,最终研究团队把厚度定在了 0.6 毫米,兼顾了变形效率和结构稳定性。

机器鱼的游动姿态和性能,主要由三个驱动参数精密调控:真空压力、频率和占空比(机器鱼在一个周期内由真空压力驱动的时间比例)。

这些参数对胸鳍拍动的直接影响,决定了机器鱼的游泳性能。研究发现,提高真空压力或增加占空比,会使得驱动器的收缩力更大或收缩时间更长,从而导致胸鳍的拍动幅度显著增大。而驱动频率的影响则更为有趣和关键:在低频段(0-4 Hz),频率增加会导致拍动幅度明显下降;但在高频段(4 Hz以上),拍动幅度随频率的变化会趋于稳定。

驱动参数对胸鳍拍动的影响

▍“扑翼”与“振荡”双模式,适应不同环境的智能切换

驱动参数的变化,自然而清晰地将机器鱼的游泳行为划分为了两种模式:在低频区,通过调节压力和占空比可以灵活控制大幅度的拍动,此为“扑翼模式”,适用于快速推进和高效巡航;在高频区,胸鳍进行小幅度、高频率的稳定振荡,此为“振荡模式”,适用于稳定穿梭和狭窄空间。

如同自然界中的鱼类会根据环境调整泳姿—— 这两种模式的无缝切换,正是其适应复杂场景的核心能力。

扑翼模式:在低频范围(0-4 Hz)内,PBNP 能充分弯曲,通过大幅度拍动胸鳍推进(拍动幅度最大可达 60°)。在这种模式下,机器鱼表现出色,最快速度可达1.43体长/秒,接近先前报道的采用单向弯曲驱动器的机器鱼的最大速度。更重要的是,它的能耗极低,最低运输成本(CoT)仅为3.3,意味着它能够高效地进行长距离巡航。

扑翼模式下的游泳性能

观察发现,在扑翼模式下,机器鱼在胸鳍上下拍动后会进入惯性滑行阶段,类似于生物鱼类中常见的“爆发式滑行”运动模式。这种策略让它能够在一个周期内游动两倍于自身体长的距离,充分利用每次拍动产生的推进力,实现能量节约型巡航。

振荡模式:在高频范围(4 Hz以上),机器鱼的胸鳍进行小幅度、高频率的振荡。虽然这种模式下的游泳速度(最快0.55体长/秒)和效率均低于扑翼模式,但它有一个独特优势,那就是此模式下的游泳姿态更加平坦稳定。

振荡模式下的游泳表现

在振荡模式下,机器鱼身体的垂直波动小于5.5毫米,仅为其自身厚度的0.17倍,胸鳍的运动几乎完全限制在身体厚度范围内。这种低干扰的游泳方式使机器鱼能够在狭窄空间内灵活穿梭,而不会碰撞障碍物。此外,该模式还展现出可观的有效载荷能力——能够承载自身重量54倍的浮动负载稳定游动。

▍硬核适应力,极端条件下的挑战与验证

为应对复杂的海洋环境,这款机器鱼在设计上展现了卓越的环境适应性。

首先是耐极端温度。由于PBNP 的材料通用性,研究团队给它换上耐高温的聚碳酸酯 PBNP 后,它能在 0.6℃的冷水里正常游动,甚至能拍动胸鳍推开浮冰;换成耐温材料后,又能在 87.2℃的热水里工作。这个温度范围,覆盖了从极地近海到海底热泉边缘的大多数水域。

在运动性能的表现上,这款机器鱼展现出强大的能力。在流动的水里,无论是在静止状态启动还是初始后退速度,机器鱼都能够逆水游动,展现出对抗水流的强大推进力;在障碍物应对方面,机器鱼展现出两种与环境障碍物交互的能力:在扑翼模式下可强力击打障碍物,在振荡模式下则可轻柔推开障碍物。

此外,机器鱼能够在两种模式间无缝切换,以应对非结构化环境。实验中,机器鱼使用扑翼模式在宽阔水域快速巡航,然后切换为振荡模式平稳穿过仅42毫米宽的缝隙。

机器鱼的环境适应性

更值得注意的是它的耐久性。研究团队让机器鱼连续进行了11 万次胸鳍往复拍动(相当于连续工作 15 小时),之后测试发现,它的推力几乎没有下降,游动速度还能保持 15.5 厘米 / 秒。这种高强度工作的能力,让它能长时间在野外执行监测任务。

▍多功能集成:一机多用的智能平台

在此基础上,研究团队还开发的非系留式机器鱼版本,它通过一种高度集成的多功能策略,将驱动、推进、监测与通信等功能完美融合在一个紧凑的便携包中。

这项设计的精髓在于其创新的驱动策略,机器鱼直接使用周围水体作为驱动介质,不仅大幅提升了系统可靠性,还巧妙省去了复杂的阀门装置。与此同时,这种液体驱动机制自然而然地催生了混合推进模式:当机器鱼将液体向后喷射时,产生的反作用力为其提供了额外的推力,实测使游泳速度提升了23%。结合模仿生物鱼的爆发式滑行策略,这条机器鱼在实现敏捷运动的同时,还保持了极低的能耗水平,表现优于大多数现有同类产品。

非系留机器鱼的多功能集成

更巧妙的是,整个驱动系统同时扮演着环境感知者的角色。由于驱动腔体内的液体在游动过程中持续与周围环境交换,每一次胸鳍拍动都相当于一次水体采样。科研人员在腔体内集成了水质传感器,使得机器鱼能够实时分析所处环境的水质状况。这些监测数据通过无线模块即时传输到控制中心,而机器鱼还具备分配试剂的功能——无论是液体饲料还是水处理剂,都能在游动过程中均匀释放。这套集驱动、推进、采样、监测、通信与分配于一体的智能系统,让机器鱼不再仅仅是运动的机器,而是成为了一个能在水产养殖等场景中执行复杂任务的移动工作站。


▍关于未来

后续研究中,进一步优化机器鱼的整体体型以减少游动时的水动力阻力,并结合更可靠的声学通信模块来扩展检测信号的传输范围。此外,无系绳机器鱼目前缺乏自主导航能力,后续将集成先进的传感技术,如视觉传感器或光传感器,以及改进的控制算法,可以增强其智能和自主性。采用更广泛的微型水质传感器(例如pH值和浊度)也将有助于更全面的环境监测。


论文链接:

https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(25)00446-1#fig3

来源:机器人大讲堂一点号

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