打破复杂水域探测困境！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，负重54倍稳定前行

文章来源：机器人大讲堂。

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