科学家开发单稳态结构软体机器鱼，以每秒6.8倍体长速度高速游动

近期，美国北卡州立大学与美国弗吉尼亚大学联合团队受魔鬼鱼通过胸鳍的震荡游动实现快速向前推进的启发，开发了一款兼具高效率、高速度和高机动性的仿生软体游泳机器鱼。

这款仿生软体机器鱼具有四个显著特点：

一是凭借单稳态扑翼结构，仅使用一个软体驱动器，极大地简化了驱动、设计和控制，且低频驱动即可实现高速游动；

二是采用单稳态结构，实现一次驱动能够实现两次快速弹跳运动；

三是通过控制软体气动驱动器的充气状态，来改变自身的浮力，在水中实现自由升降；

四是利用正弦波形的扑翼运动，产生了分叉的射流来提高推力。

基于这些特性，机器鱼不仅能在水面上游动，通过调节软体机器鱼的浮力，还能够根据需要在不同深度（水下或贴近水面的位置）游动，且具备灵活穿越水下障碍物和防碰撞的能力。

这种游泳软体机器鱼有望应用于深海探测，特别是在生物探测方面发挥重要作用。此外，该软体机器鱼的本体材料对环境友好，不会对海底生物造成较大干扰，有利于近距离观察野生海底生物、探测水流和进行环境监测等。

审稿人对该研究评价称，“这项工作提出了优雅而巧妙的设计和方法，可进一步推动气动执行、水下软机器人和敏捷机器的发展。”

日前，相关论文以《自发的弹跳诱导喷流实现快速、灵活的水面及水下软扑翼游泳机器鱼》（Spontaneous snapping-induced jet flows for fast, maneuverable surface and underwater soft flapping swimmer）为题发表在Science Advances上 [1]。

北卡州立大学博士生清海涛是第一作者，北卡州立大学尹杰教授担任通讯作者。论文作者还包括弗吉尼亚大学博士生郭嘉诚、弗吉尼亚大学朱远航博士（现为美国加州大学河滨分校助理教授）、北卡州立大学赤银鼎博士（现为美国宾夕法尼亚大学博士后）、北卡州立大学洪尧烨博士（现为宾夕法尼亚大学博士后）、弗吉尼亚大学丹尼尔·奎因（Daniel Quinn）副教授和董海波教授。

在此前的研究中，该课题组开发了一款利用双稳态结构驱动的蝶泳式游泳机器鱼，即低频双稳态震荡游动机器鱼。

然而，双稳态结构的缺点是：在两个稳态之间切换时，虽然具有迅速切换、快速弹跳的特性，但也要克服较大的能障，这意味着需要更多的能量输入。

清海涛表示：“我们在新研究中通过改变预存储能量的方式，将双稳态变为了单稳态。这种单稳态扑翼结构只需一次能量输入就能实现快速弹跳和弹回，巧妙地同时实现了高速游动和低能耗两个特性。这是双稳态与单稳态结构在驱动行为上的显著差异。”

此外，与之前的仿生游泳机器鱼相比，它的能耗比大幅降低。需要了解的是，能耗比是一个相对较低的数值，可展现出较高的能效表现。

在此基础上，研究人员适当提高了驱动频率，双稳态结构的最快频率为 1 赫兹，而单稳态结构的最快频率提高到了 1.67 赫兹，仍属于低频范围。

这使得单稳态设计的速度比双稳态设计提高了近 2 倍，双稳态机器人的速度为每秒 3.74 个体长，而现在的单稳态游泳机器人速度达到了每秒 6.8 个体长的高速游动。

相比之下，上一代双稳态机器鱼采用的是上下类似于三明治夹层结构的软体气动弯曲驱动器。由于其结构特点，无法通过改变总体重力来调控浮力。

“而该研究中的单稳态软体机器鱼，通过调节浮力突破了这一限制，从而能够在更广泛的水域范围内灵活游动。”清海涛说。

在这项研究中，研究人员让游泳机器鱼穿越水下障碍，并人为制造湍流干扰其游动过程，使其在遇到强干扰时沉到水底。他们想探究该机器鱼是否具备较强的抗碰撞、抗干扰以及穿越复杂障碍的能力，这也是软体机器人需要攻克的难点之一。

在实验阶段，该课题组反复调节参数，最终取得了良好效果。即使机器鱼沉到水底，通过调控浮力其也能重新浮上水面，并按预定轨迹游动。

他们参考了大量文献，发现其他机器人的局限性体现在：只能在贴近水面或水面游动，难以实现穿越水下障碍的功能。

清海涛指出，软体机器鱼的优势在于其抗碰撞和抗干扰能力。“穿越水下障碍物对软体机器鱼来说极具挑战性，我们是首个实现通过调节浮力在不同深度游动，并穿越水下障碍的软体游动机器鱼团队。”

在接下来的研究阶段，一方面，该课题组计划继续与弗吉尼亚大学流体团队合作，探索其他生物的流体现象，以优化仿生软体游泳机器人的结构设计，实现或超越自然界中生物的运动功能。

另一方面，研究人员打算将单稳态扑翼结构的尺寸做到米级别，希望能够真实地放入海洋环境中进行测试和探测。这些计划将进一步推动软体机器人技术的发展，并可能为深海探测等领域带来革命性的变化。

参考资料：

1.H. Qing, J. Guo, Y. Zhu, Y. Chi, Y. Hong, D. Quinn, H. Dong, J. Yin, Spontaneous snapping-induced jet flows for fast, maneuverable surface and underwater soft flapping swimmer,Science Advances10, 4222 (2024). https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq4222

排版：何晨龙、刘雅坤