北卡罗来纳州立大学×弗吉尼亚大学推出单稳态扑翼软体游泳机器人

在仿生软体游泳机器人设计领域，游泳方式各异的海洋动物是科研人员灵感的重要源泉。其中，鳐鱼以其独特的蝠鲼状游泳方式——通过类似翅膀的胸鳍进行低频（低于2赫兹）且高振幅的振荡推进，为开发具备快速响应、高效能源利用及高度机动特性的软体机器人提供了创新思路。通过在游动过程中，拍打动作胸鳍能引发展向的背腹形变以及弦向上的波动传播，鳐鱼实现了游泳速度、效率与机动性的综合提升。

受此自然现象启发，科研界对于模拟蝠鲼游泳模式的软体机器人研发展现出浓厚兴趣，许多科研人员尝试通过融合软体材料技术、拍动机理以及复杂的动力系统与控制架构，复制蝠鲼的高效游动姿态。

然而，该领域研究虽然取得了一定进展，但如何在保持系统简洁驱动与有效控制的前提下，将快速移动、高效能量转换及高机动性这些特性集成到一个柔软的机器人机体中，仍是当前面临的一项重大技术挑战。

▍创新技术：利用单稳态拍动翼实现高速游动

在具有挑战性的非结构化水下环境中，如何实现仿蝠鲼软体游泳机器人能量高效利用、机动性灵活以及多变水下环境适应？

当前这一领域的设计与优化，不仅复杂且充满未知，还存在诸多技术挑战和限制。

其中，双稳态策略虽然在理论上展现出创新性，但在实际应用过程中却暴露出了能量效率与设计控制上的难题。由于外部驱动能量的需求增加，机器人的重量与复杂性也随之上升，这进而对其游泳速度和能源效率产生了不利影响。

此外，软体游泳机器人在面对非结构化水下环境时，其深度适应性和碰撞恢复能力仍有待提升。目前，多数采用双稳态扑翼设计的游泳机器人主要局限于水面活动，难以深入水下作业。尽管有研究尝试通过模仿鱼类的鱼鳔来调节浮力，但这一方案不仅增加了设计的复杂性，还需要额外的驱动和控制系统来支持。

在运动波形形状优化方面，虽然蝠鲼及其模仿者通常采用正弦波形式的鳍尖运动，但最新研究却表明，非正弦推进运动（如方波）可能具有更高的推力输出潜力。这种运动模式有望显著提升机器人的推力、游泳速度和效率。然而，由于该领域的研究仍处于初级阶段，因此仍需科研人员进一步深入探索和完善。

针对上述挑战，来自美国北卡罗来纳州立大学和弗吉尼亚大学的研究团队，在前期研究成果的基础上，合作提出了一种利用软体扑翼游泳机器人的单稳态不稳定性来实现快速、高效、高水下和水下到水面机动性以及高碰撞恢复力的策略。

与双稳态设计相比，单稳态翼只有一个稳定状态，即在驱动时（即向下冲程）瞬间通过不稳定状态，并在去驱动时由弹性恢复力自发向上弹跳回原始稳定状态（即向上冲程），无需消耗额外能量。因此，它仅需要一个单一驱动输入即可实现周期性扑动运动，这一设计极大地简化了驱动、设计和控制，并实现了接近双稳态设计两倍的游泳速度（约6.8 BL/s），降低能耗1.6倍以上。

通过结合计算流体力学 (CFD) 模拟和粒子图像测速 (PIV) 测量，研究团队发现，速度提升的关键在于单稳态设计引发的机翼方波运动，这种运动产生了分叉喷射流，从而获得了更高的推力。此外，单稳态设计还赋予了机器人一系列独特的功能，包括仅需调整驱动频率即可在不同深度游泳、无需额外鱼鳔即可穿越水下垂直障碍赛道，以及由于其简化的驱动和控制而更易于实现无束缚设计。

目前，该研究成果的相关论文已以“Spontaneous snapping-induced jet flows for fast, maneuverable surface and underwater soft flapping swimmer”为题发表在《Science Advances》杂志上。

▍设计与制作

据了解，研究团队所设计的新型软体游泳机器人以软体气动双向弯曲致动器为核心，并结合了一对独特的单稳态翼，实现了在复杂水下环境中的高效、快速与高机动性游动。

具体来说，该机器人的主体部分采用双向弯曲驱动扑翼设计，这一设计巧妙地利用了蝠鲼状软游泳体的单稳态扑翼特性，通过自发性弹动来应对将快速、高效与高机动性融合于单一软体游泳体中的技术挑战，可通过拍打动作产生的快速旋转与划动，达到每秒3.74个体长（BL/s）的游泳速度，并在1Hz的低驱动频率下保持出色的能效。

具有高速和多模态水面和水下机动能力的软体扑翼游泳体的杠杆单稳态设计

单稳态翼的设计则由气动方式驱动，能够迅速弹起并向下划动。在放气后，翼片会在弹性恢复力的作用下自发弹回初始状态，这一过程中无需消耗额外能量，极大地简化了机器人的设计、驱动与控制流程，仅需调整单一的输入驱动频率，便能在水下非结构化环境中实现6.8体长/秒的高速度、高效能、高机动性以及优异的抗碰撞性能。

此外，该机器人还巧妙地利用了双稳态翼中的快速拍打不稳定性，通过快速释放能量来实现快速响应与力量的放大。这一策略为有效克服传统软体游泳机器人所面临的局限性，如小幅度鳍拍动、慢响应动态以及小推进力等，提供了新的解决思路。

在设计细节方面，机器人遵循了先前双稳态扑翼软体游泳器的设计理念，但通过热处理技术部分释放了框架翼中预存的弹性应变能，从而将双稳态翼转变为单稳态翼。这使得机器人在驱动行为上展现出了明显的差异与优势。

与双稳态设计相比，单稳态设计在放气后能够自发回弹并向上划动以恢复到唯一稳定状态，这一特性赋予了机器人诸多双稳态设计所无法比拟的优势与独特游泳能力。包括更简洁的设计与控制流程、更轻量的游泳者构造、更低的能耗以及更高的驱动频率与推力输出。

实验数据显示，这款机器人在1.67Hz的低驱动频率下实现了6.8BL/s的游泳速度，这一速度不仅远超其他游泳机器人，甚至可与快速游动的大西洋鲑鱼相媲美。同时，它还展现出了出色的承载负荷能力、在不同深度游泳的高机动性以及通过简单调整驱动频率来调节浮力以穿越水下障碍物的能力。在遭遇障碍物时，机器人也表现出了稳定的游泳姿态与碰撞弹性。

▍高效能量利用：低能耗下的高速游动

针对快速扑翼动力学特性的研究显示，单稳态机翼在扑动过程中的弹性能量释放是提升游泳速度的关键。为了确保在给定翼展长度下实现最佳游泳性能，科研人员精心选取了下图相图中的过渡区作为确定临界热处理时间的重要参考。这一决策的科学依据在于，过渡区内的单稳态机翼预存了最大的应变能，从而在后续的扑翼动作中能够最大化地释放能量。然而，过长的热处理时间会削弱这种预存能量，进而对扑翼效率产生不利影响。

在实验中，研究团队采用了一个翼展S为160毫米、热处理时间T为20分钟的单稳态扑翼机器人模型。通过延时自由游泳（侧视）与静止游泳（等距视角）两种观测方式，详细记录了机翼在一个完整驱动周期内的上下恢复过程。

在驱动频率f为1.25赫兹、驱动压力P为61千帕的实验条件下，机翼的运动轨迹，包括其在水平和垂直方向上的位移、速度及加速度变化，均被精确捕捉并呈现下图中。

软体游泳机器人（静止）在一个下拍和上拍周期内翼尖的三维轨迹及其头部和翼尖在XZ和XY平面的轨迹

在充气阶段，机器人主体向下弯曲，带动机翼逆时针旋转并执行向下冲程，随后在短短21毫秒内通过快速突跃完成加速，实现向前的推进力。而在放气阶段，机翼则能迅速且自发地向上弹回至初始状态，为下一次推进做好准备，整个过程的耗时仅为36毫秒。

静止单稳态软体扑翼游泳体（S= 160 mm 和f= 1.25 Hz）在空气-水界面处（后端身体固定）的扑翼和旋转运动

值得注意的是，翼尖与软体部分的运动轨迹表现出了高度的重复性和一致性，其中翼尖轨迹形成了独特的三维不对称8字形，而软体部分则呈现出二维的弯曲运动，这与双稳态扑翼机器人中常见的对称8字形轨迹形成了鲜明的对比，凸显了其运动的不对称性特征。

进一步的分析还显示，单稳态扑翼机器人的翼尖运动呈现出非正弦的方波状模式，这与双稳态系统以及其他基于蝠鲼灵感设计的推进器中的正弦运动模式截然不同，这种运动模式有助于产生更大的推力。在游泳过程中，攻角随着机器人柔软身体的波动而呈现出正弦变化。

参数研究的结果表明，通过调整翼展S和驱动频率f，单稳态扑翼机器人能够在维持低能耗的同时，实现高游泳速度和优异的能量效率。特别是在翼展S为157毫米、驱动频率f为1.67赫兹的条件下，机器人达到了约156.4毫米/秒的峰值平均速度，这相当于每秒能够移动约6.8BL/s，这一速度是双稳态扑翼机器人的1.8倍以上。

更为显著的是，该机器人在能量效率方面也展现出了卓越的性能，其斯特劳哈尔数St落在了自然选择的高效区间内，即0.2至0.4之间。同时，根据运输成本CoT的测算结果，在峰值速度下，该机器人的CoT值低至约23.7，与双稳态对应物相比减少了1.64倍，这一数据进一步佐证了其高效的能量利用特性。

▍多功能性：水面和水下多模态游动

为了深入探究机器人单稳态拍动翼推进机制的高效性及其多功能性，研究团队采用了粒子图像测速（PIV）技术与计算流体动力学（CFD）模拟相结合的方法，对其在水面与水下多种游动模式以及穿越障碍物的能力进行了全面评估。

在PIV实验中，根据机器人的预设游动速度和翼长参数，团队测得其雷诺数（RePIV）为6500。为降低计算成本，在CFD模拟中，研究团队采用了较低的雷诺数（ReCFD）1500进行。尽管两者在雷诺数上存在差异，但对比结果显示，PIV测量与CFD模拟在涡旋结构和速度矢量场上呈现出高度一致性，这进一步验证了模拟结果的准确性和有效性。

推力生成机制分析

实验与模拟数据均显示，该软体机器人在执行下拍（snap-through）与上拍（snapback）动作时，会分别产生一对反向旋转的涡旋。这些涡旋偶极子及其诱导的射流是机器人推力生成的关键因素。特别地，在下拍过程中，前缘涡旋（LEV）与脱落的后缘涡旋（TEV）会合并，形成更为强大的TEV偶极子和下拍射流，而上拍过程中则未观察到此类涡旋合并现象，因此下拍动作产生的推力更为显著。

三维涡旋结构揭示

通过CFD模拟，研究团队还深入分析了机器人游动时的三维涡旋结构。在下拍与上拍动作的末期，涡旋偶极子主要集中于翼尖区域，形成高动量射流。此外，在鳍后缘附近还观察到了半环形尾涡的存在，这些涡旋同样能诱导高动量流，形成尾射流效应。

多功能性实验验证

在实验环节，研究人员通过一系列精心设计的实验，充分展示了该机器人的多功能性。机器人不仅能够在水面上实现稳定的高速游动，还能通过简单调整驱动频率，顺利下潜至水下并进行灵活游动。

多模态游动能力展示

通过单一输入驱动频率的精细调整，该软体机器人展现出了多样化的游动模式。在高频驱动下，机器人能够迅速升至水面并保持稳定的高速游动；随着频率的逐渐降低，机器人能够调整至特定深度并保持巡航状态；而当频率进一步降低时，机器人则能在水底以类似爬行的模式进行游动。这种多模态游动能力使得机器人能够灵活应对复杂的水域环境。

穿越障碍物能力验证

为评估机器人的穿越障碍物能力，研究团队特别设计了一组垂直水下障碍物实验。实验结果显示，机器人能够通过调整驱动频率，在障碍物之间灵活穿梭，有效避免碰撞。即便在发生碰撞的情况下，由于其软体结构的优异韧性和顺应性，机器人也能安全接触障碍物并继续游动。

无人束缚游动实验

最后，研究团队还进行了无人束缚的游动实验，以检验机器人在自然环境中的实际表现。实验结果表明，即使在风和水流的干扰下，机器人仍能保持出色的稳定性和敏捷性，成功在短时间内游动了超过1米的距离。这一成果再次证明了该软体游动机器人的多功能性和广泛环境适应性

参考文章：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq4222