近期，美國北卡州立大學與美國弗吉尼亞大學聯合團隊受魔鬼魚透過胸鰭的震盪遊動實現快速向前推進的啟發，開發了一款兼具高效率、高速度和高機動性的仿生軟體游泳機器魚。
這款仿生軟體機器魚具有四個顯著特點：
一是憑藉單穩態撲翼結構，僅使用一個軟體驅動器，極大地簡化了驅動、設計和控制，且低頻驅動即可實現高速遊動；
二是採用單穩態結構，實現一次驅動能夠實現兩次快速彈跳運動；
三是透過控制軟體氣動驅動器的充氣狀態，來改變自身的浮力，在水中實現自由升降；
四是利用正弦波形的撲翼運動，產生了分叉的射流來提高推力。
基於這些特性，機器魚不僅能在水面上遊動，透過調節軟體機器魚的浮力，還能夠根據需要在不同深度（水下或貼近水面的位置）遊動，且具備靈活穿越水下障礙物和防碰撞的能力。
這種游泳軟體機器魚有望應用於深海探測，特別是在生物探測方面發揮重要作用。此外，該軟體機器魚的本體材料對環境友好，不會對海底生物造成較大幹擾，有利於近距離觀察野生海底生物、探測水流和進行環境監測等。
審稿人對該研究評價稱，“這項工作提出了優雅而巧妙的設計和方法，可進一步推動氣動執行、水下軟機器人和敏捷機器的發展。”
日前，相關論文以《自發的彈跳誘導噴流實現快速、靈活的水面及水下軟撲翼游泳機器魚》（Spontaneous snapping-induced jet flows for fast, maneuverable surface and underwater soft flapping swimmer）為題發表在Science Advances上 [1]。
北卡州立大學博士生清海濤是第一作者，北卡州立大學尹傑教授擔任通訊作者。論文作者還包括弗吉尼亞大學博士生郭嘉誠、弗吉尼亞大學朱遠航博士（現為美國加州大學河濱分校助理教授）、北卡州立大學赤銀鼎博士（現為美國賓夕法尼亞大學博士後）、北卡州立大學洪堯燁博士（現為賓夕法尼亞大學博士後）、弗吉尼亞大學丹尼爾·奎因（Daniel Quinn）副教授和董海波教授。
在此前的研究中，該課題組開發了一款利用雙穩態結構驅動的蝶泳式游泳機器魚，即低頻雙穩態震盪遊動機器魚。
然而，雙穩態結構的缺點是：在兩個穩態之間切換時，雖然具有迅速切換、快速彈跳的特性，但也要克服較大的能障，這意味著需要更多的能量輸入。
清海濤表示：“我們在新研究中透過改變預儲存能量的方式，將雙穩態變為了單穩態。這種單穩態撲翼結構只需一次能量輸入就能實現快速彈跳和彈回，巧妙地同時實現了高速遊動和低能耗兩個特性。這是雙穩態與單穩態結構在驅動行為上的顯著差異。”
此外，與之前的仿生游泳機器魚相比，它的能耗比大幅降低。需要了解的是，能耗比是一個相對較低的數值，可展現出較高的能效表現。
在此基礎上，研究人員適當提高了驅動頻率，雙穩態結構的最快頻率為 1 赫茲，而單穩態結構的最快頻率提高到了 1.67 赫茲，仍屬於低頻範圍。
這使得單穩態設計的速度比雙穩態設計提高了近 2 倍，雙穩態機器人的速度為每秒 3.74 個體長，而現在的單穩態游泳機器人速度達到了每秒 6.8 個體長的高速遊動。
相比之下，上一代雙穩態機器魚採用的是上下類似於三明治夾層結構的軟體氣動彎曲驅動器。由於其結構特點，無法透過改變總體重力來調控浮力。
“而該研究中的單穩態軟體機器魚，透過調節浮力突破了這一限制，從而能夠在更廣泛的水域範圍內靈活遊動。”清海濤說。
在這項研究中，研究人員讓游泳機器魚穿越水下障礙，並人為製造湍流乾擾其遊動過程，使其在遇到強幹擾時沉到水底。他們想探究該機器魚是否具備較強的抗碰撞、抗干擾以及穿越複雜障礙的能力，這也是軟體機器人需要攻克的難點之一。
在實驗階段，該課題組反覆調節引數，最終取得了良好效果。即使機器魚沉到水底，透過調控浮力其也能重新浮上水面，並按預定軌跡遊動。
他們參考了大量文獻，發現其他機器人的侷限性體現在：只能在貼近水面或水面遊動，難以實現穿越水下障礙的功能。
清海濤指出，軟體機器魚的優勢在於其抗碰撞和抗干擾能力。“穿越水下障礙物對軟體機器魚來說極具挑戰性，我們是首個實現透過調節浮力在不同深度遊動，並穿越水下障礙的軟體遊動機器魚團隊。”
在接下來的研究階段，一方面，該課題組計劃繼續與弗吉尼亞大學流體團隊合作，探索其他生物的流體現象，以最佳化仿生軟體游泳機器人的結構設計，實現或超越自然界中生物的運動功能。
另一方面，研究人員打算將單穩態撲翼結構的尺寸做到米級別，希望能夠真實地放入海洋環境中進行測試和探測。這些計劃將進一步推動軟體機器人技術的發展，並可能為深海探測等領域帶來革命性的變化。
參考資料：
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：何晨龍、劉雅坤
