西北工业大学潘光教授团队：仿蝠鲼潜水器设计

仿蝠鲼潜水器的结构设计、运动时的流场特性、控制算法与推进机理等涉及一系列复杂问题。如何使潜水器游动特性与真鱼相似，且具备持久续航能力、环境感知能力等是仿生潜水器设计所需要解决的重要问题。

进入 21 世纪，海洋资源的勘探和开发变得日益重要，而传统潜水器由于普遍采用螺旋桨 推进仍 有很多不足：机动性差，狭窄范围内灵活性差；续航能力弱，难以在水下长时间工作；螺旋桨极易对生物和生态环境造成破坏。为了解决上述问题，西北工业大学潘光教授团队致力于仿生学研究，研制了仿蝠鲼潜水器。该潜水器以 蝠鲼 为仿生对象，具备单程俯冲弓形滑翔、连续扑动、 脉冲滑扑三种 典型模态，可执行海洋水文信息采集、广域目标搜索与精细探测、反潜 / 反侦察等具体任务，在海洋资源开发、生态环境监测、海洋牧场建设、国家领海安全维护等领域具有重要意义。

▲ 仿蝠鲼潜水器用于珊瑚礁实地监测

蝠鲼，又称魔鬼鱼，是一种采用中央鳍 / 对鳍 ( media and/or paired fin propulsion, MPF ) 推进方式的鱼类，在游动时表现出优异的机动性和稳定性，已逐步成为潜水器领域的研究热点。 对 蝠鲼 等采用 MPF 推进方式的鱼类进行生物学特性研究是仿 蝠鲼 潜水器研制的基础，此类生物依靠成对的胸鳍或扑动来产生向前的推力。 蝠鲼 在低速巡游时具有较高的推进效率，适合小航程低速游动，游动稳定性好，抗干扰能力强，机动性优良，可实现 6 个 自由度的运动，可原地悬停和转弯。目前，对仿 蝠鲼 潜水器的研制大多仅在形态上接近真实生物 ( 形态仿生 ) ，在计算方法、控制机构设计、机械结构设计等功能仿生方面依然存在一些亟须解决的问题。针对仿 蝠鲼 潜水器的优劣，应根据不同领域的需求因地制宜，从一些机理性和探索性的方向开展潜水器研究，为接下来更为深入的潜水器性能研究提供理论和技术指导，为今后提出更优的模型分析方法以及开发出更先进的仿 蝠鲼 潜水器提供参考。

西北工业大学潘光教授团队瞄准该学科前沿，针对仿蝠鲼潜水器设计理论与方法开展了系统性研究，包括蝠鲼生物学特性、仿生推进水动力学、仿生结构设计、刚柔耦合航行动力学、仿生控制、能源与载荷系统等。目前该团队已研制出多型仿蝠鲼潜水器样机，完成了珊瑚礁保护、地形勘探、重要设施巡检、海洋牧场鱼群健康监测、复杂水域环境水文信息采集等多项水下任务。

潘光教授团队长期从事仿蝠鲼柔体潜水器方向的科学研究，在该研究领域取得了丰硕的成果，团队成员主持了国家自然科学基金项目多项、国家重点研发计划项目3 项，相关研究论文已发表于国际与国内知名期刊，获得了学术界的高度认可，《仿蝠鲼潜水器设计理论与方法》一书为该研究成果的系统总结。

该书逻辑完整，层次清晰，内容丰富，细节到位，为仿蝠鲼潜水器的设计和性能优化奠定了理论与技术基础，是仿蝠鲼潜水器大型化、智能化与实用化的优秀参考资料。

徐德民

中国工程院院士

2024 年9 月

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仿蝠鲼潜水器设计理论与方法

潘光等著 . 北京：科学出版社， 2025.5

( 智能机器人基础理论与关键技术丛书 )

ISBN 978-7-03-076899-5

《仿蝠鲼潜水器设计理论与方法》是作者及其团队近年来工作成果的总结，由潘光、曹勇、曹永辉、黄桥高、屈毅林、卢丞一共同撰写。全书共9章：

• 第 1 章概述仿 蝠鲼 潜水器的基础理论和整体概况；

• 第 2 章从仿 蝠鲼 生物学特性及水动力机理进行分析，为仿生潜水器的设计奠定基础；

• 第 3 章主要围绕仿生胸鳍结构设计展开，详细讨论潜水器胸鳍驱动结构 与鳍面结构设计 ；

• 第 4 章开展仿生胸鳍水动力实验，为柔性胸鳍的优化设计提供科学指导；

• 第 5 章构建仿 蝠鲼 潜水器统一的动力学模型，为总体设计优化和仿生运动控制提供理论基础；

• 第 6 章介绍仿 蝠鲼 潜水器的控制技术，分别基于无模型与有模型控制方法建立仿 蝠鲼 潜水器的闭环控制系统，实现仿生运动控制；

• 第 7 章为了实现仿 蝠鲼 潜水器长时间的稳定工作，设计多源俘能和能源分布存储系统，并建立力电热多物理场耦合模型，实现能量的安全高效利用；

• 第 8 章开展仿 蝠鲼 潜水器样机总体设计，研制仿 蝠鲼 潜水器样机，并开展系统实验；

• 第 9 章系统 阐述仿 蝠鲼 潜水器应用方面的关键技术。

本书面向仿 蝠鲼 潜水器设计，系统介绍了仿生推进的流体动力学、结构设计、航行动力学、自动控制、能源与载荷等内容，为仿 蝠鲼 潜水器样机研制奠定了理论与技术基础。

本文摘编自《 仿蝠鲼潜水器设计理论与方法 》（ 潘光等著 . 北京：科学出版社， 2025.5 ）一书“前言”“序”“ 第 1 章 绪论 ”，有删减修改，标题为编者所加。

“十四五”国家重点出版物出版规划项目

智能机器人基础理论与关键技术丛书

为深入贯彻落实《“十四五”机器人产业发展规划》，加快推动机器人产业高质量发展，加强国家重大科技成果应用转化，科学出版社联合工业和信息化部产业发展促进中心策划出版“十四五”国家重点出版物出版规划项目“智能机器人基础理论与关键技术丛书”。丛书围绕国家重点研发计划“智能机器人”重点专项，内容涵盖机器人基础前沿理论、共性技术、关键技术与装备、应用示范等方面，详细介绍近年来我国在智能机器人领域研究取得的丰富成果，促进我国科研成果知识产权保护和研究成果示范推广。

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（本文编辑：刘四旦）

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