周期性环状突弹跳变驱动机器鳐鱼的仿生设计与性能研究

《The Innovation》：Robotic ray driven by periodic ring snapping

　　本文针对传统水下机器人结构复杂、控制困难的问题，受蓝斑带尾鳐(Taeniura lymma)游动姿态启发，开发了一种基于弹性杆周期性环状突弹跳变驱动的单自由度软体机器鱼。通过理论模型、数值模拟和实验验证相结合的方法，揭示了杆件屈曲变形机理，实现了0.3 BL/s的游速和0.79的能耗系数，为水下探测设备提供了高效隐蔽的新方案。

　　

在漫长的进化过程中，水生生物发展出了令人惊叹的运动策略。蓝斑带尾鳐(Taeniura lymma)以其优雅的蝶泳式游动姿态而闻名，这种游动方式具有高推进效率、卓越机动性和极低噪声的特点，为水下机器人设计提供了理想的仿生模板。然而，现有仿生机器鱼普遍存在结构复杂、控制困难、能耗高等问题，严重限制了其实际应用潜力。

传统水下机器人多采用多关节设计或气动驱动，不仅需要复杂的控制算法，还往往伴随着较大的体积和噪声。相比之下，自然界中鳐鱼通过简单的鳍波浪式运动就能实现高效推进，这一现象激发了研究人员的灵感。特别值得注意的是，早期多细胞生物采用细丝和薄片等低维几何形态，通过弹性失稳实现对称性破缺，这一原理为新型推进机制设计提供了重要思路。

在这项发表于《The Innovation》的研究中，由赵子龙、王志鹏等人组成的研究团队开发了一种基于周期性环状突弹跳变驱动的机器鳐鱼。该设计巧妙利用弹性杆的突弹跳变不稳定性，实现了从对称到不对称的形态转换，仅需单个执行器就能产生类似鳐鱼的蝶泳运动。

研究采用理论分析、数值模拟和实验验证相结合的方法。理论模型基于Kirchhoff杆理论，通过线性扰动展开分析杆的动力学稳定性，推导出临界旋转角公式θ_q^cr = π/Γ√(n²-1)。有限元分析使用Abaqus动态隐式求解器，模拟杆的大变形过程。实验部分通过直流齿轮电机驱动半圆形弹性杆，在盐溶液中观察形态演变。

杆件屈曲分析揭示了材料参数和几何尺寸对变形行为的影响规律。随着泊松比ν增大，临界旋转角呈线性增加，当ν=0.47时，模式n=2的最大临界角达到2.6π。几何参数k?=√(I/A)/R越大，增长速率σ越高，杆件屈曲形态越复杂。理论预测与数值结果高度一致，为结构优化提供了理论基础。

弹性突弹跳变实验展示了典型的能量积累-释放过程。当驱动端旋转角达到临界值θ₀=2.5π时，杆件储存的弹性应变能迅速释放，产生突弹跳变现象。反应力矩随旋转角先增后减，符合典型突弹跳变响应特征。这一过程与鳐鱼鳍的波浪式运动高度相似，为推进机制提供了物理基础。

机器鱼结构设计包含变速箱、浮力舱、弹性杆、柔性薄膜和尾部等核心部件。双弹性杆对称布置，通过滑块机构调节两端距离，控制临界旋转角。柔性薄膜采用薄绒布制作，通过环套与杆件连接。整机长度约50cm，自重0.55kg，满载0.80kg。

游泳性能测试表明，在慢速电机(1.0 rad/s)、II型鳍(c_s=1.5)和高摩擦条件下，机器鱼达到最大速度8.1 cm/s(0.3 BL/s)。推进力测量显示平均峰值驱动力为0.10-0.15N，最大加速度12.5 cm/s²。能耗系数CoT=0.79，显著低于现有水下软体机器人。

与同类产品相比，该机器鱼在速度和能耗间取得了良好平衡。虽然速度适中，但能耗系数仅为0.79，远低于Chi等设计的3.4 BL/s机器鱼(CoT=39.68)和Xiang等的可变刚度鳍机器鱼(CoT=11.06)。这种低能耗特性使其在长期水下作业中具有明显优势。

讨论部分指出，与传统螺旋桨推进相比，波动鳍推进具有环境友好、噪声低、灵活性好等优势。该设计的三大特色包括：外形与运动模式高度仿生，易于融入水生环境；结构简单可靠，单自由度控制大幅降低复杂度；能耗极低，适合大规模应用。未来可通过独立控制左右鳍实现转向功能，集成传感设备拓展应用场景。

该研究通过仿生设计理念，将生物运动原理与工程创新相结合，开发出性能优异的机器鳐鱼。其核心创新在于利用弹性突弹跳变不稳定性实现高效推进，为水下机器人设计提供了新思路。这种基于简单原理实现复杂功能的方法，不仅具有重要的科学意义，也为海洋勘探、环境监测等应用提供了实用技术方案。