《SCIENCE ADVANCES》：Inertia-driven amphibious robot with asymmetric microundulatory fin arrays
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厘米级两栖机器人在执行多样化任务时展现出巨大潜力，但现有方案常因主动式多机构设计面临小型化密封难题及结构复杂性问题。为此，研究人员提出了一种结合可变输出音圈电机（VCM）与全密封刚性外壳的惯性驱动驱动策略，成功研制出24克重的无腿机器人（Leglessbot）。该机器人通过调制VCM输出，在陆地可实现跳跃、全冲程振动运动，在水中则利用被动式倾斜鳍将往复振动转化为可转向推力，实现了基于单驱动器的惯性驱动多向推进（IDMP）。研究通过水生实验、高速粒子图像测速技术及计算流体力学模拟揭示了其推力产生机制。这项工作为欠驱动两栖机器人提供了一种紧凑、可靠的解决方案，展现了惯性驱动技术在复杂地形环境中的广阔应用前景。
在狭窄、危险或人类难以直接进入的环境中，小型机器人正在扮演着越来越重要的角色。它们凭借小巧、敏捷的体型，能够在管道检查、环境监测乃至搜救任务中大显身手。为此，研究者们为微小型机器人开发了多种运动方式：在陆地上，有靠腿行走的，有靠轮子或履带前进的，还有通过身体波动来移动的；在水下，则主要依赖螺旋桨、可动鳍或喷射推进。然而，一个长期存在的挑战摆在面前：大多数微型机器人只能适应单一环境，难以同时高效地在陆地和水下两种截然不同的介质中自如运动。尤其在厘米尺度上，实现有效、可靠的两栖运动尤为困难。传统的设计方案通常需要多个主动机构来分别应对陆地和水下环境，这不仅增加了系统的复杂性，更带来了一个棘手的问题——密封。在如此小的尺寸下，传统的动态密封结构（如O型圈）变得不切实际，微小的装配间隙极易导致液体毛细渗透，而所需的密封摩擦力也可能超过微型致动器的能力范围。
为了攻克这一难题，一项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究另辟蹊径，将目光投向了“惯性驱动”策略。这项研究的核心思想是，让机器人内部的部件运动产生惯性力（如线动量、角动量或离心力），从而驱动机器人整体运动，而其外部则完全被一个刚性的全密封外壳包裹，没有任何外露的活动部件。这不仅巧妙规避了小型化带来的密封难题，还显著提升了机器人的可靠性和耐用性。然而，现有的惯性驱动机器人也存在局限：其驱动源在输出动量与频率之间存在权衡，一个惯性源通常只能实现单一类型的运动，且实现基于惯性力的水中推进也颇具挑战性。
针对这些挑战，研究团队设计了一种新颖的可变输出音圈电机，并将其与一套独特的被动式非对称微循环鳍阵列相结合，研制出一款名为“Leglessbot”的、仅重24克的惯性驱动无腿两栖机器人。该机器人不仅能在陆地上跳跃、在颗粒介质（如沙地）上快速移动并承载重物，还能在水中通过调整单一驱动器的振动频率来实现可控的转向游泳，展示了一种前所未有的紧凑型欠驱动两栖移动解决方案。
为了开展这项研究，研究人员综合运用了多项关键技术方法。机械结构上，他们设计并制造了集成了可变输出音圈电机、偏心旋转质量电机、印刷电路板和电池的全密封刚性外壳机器人原型。在控制系统方面，开发了基于蓝牙低能耗片上系统的主控板和用于位置检测的柔性霍尔传感器板，实现了对机器人三种工作模式的精确控制。性能表征部分，他们利用高精度运动捕捉系统测量了机器人的陆上运动轨迹和跳跃轨迹，并使用水下摄像机记录了其水上运动学特性。为了深入探究其水动力原理，研究团队进行了高速粒子图像测速实验，以可视化流场结构；同时，他们还建立了详细的流体-结构相互作用模型，并进行了计算流体动力学模拟，用于分析鳍的瞬态推力、侧向力和扭矩。统计方面，所有实验数据均以均值±标准差的形式呈现，并使用OriginPro 2021进行统计分析。
结果部分：
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运动设计：
这款名为Leglessbot的机器人被设计为通过简单的驱动穿越各种地形。它采用无腿设计，所有部件被胶合封装在一个带内部加强筋的刚性外壳内，避免了外部活动部件，简化了密封并提升了坚固性。其核心驱动是一个创新的可变输出音圈电机，通过调整线圈电流换向的时机，能够实现三种驱动模式：跳跃模式、全冲程振动模式和小冲程振动模式。机器人两侧装有长度不同的软质被动倾斜鳍，用于在水中将身体的往复振动转化为推进力。
陆地测试表明，机器人能在干沙上实现约每秒1.4个身长的快速运动、连续跳跃以及承载相当于自身重量40倍的负载。水中测试则证实，通过调节音圈电机的振动频率，可以控制机器人的直线或转向游泳。
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音圈电机与陆地性能表征：
研究详细测量了音圈电机在三种模式下的实时输出力曲线。在小冲程振动模式下，机器人能在硬质表面上以高达28.1毫米/秒的速度进行精确的直线运动。在全冲程振动模式下，机器人利用撞击惯性，在颗粒介质上表现出色，能够快速行进。在跳跃模式下，机器人能通过磁体与外壳的剧烈碰撞直接实现跳跃，最大跳跃高度可达17.16毫米。得益于其“不倒翁”设计，机器人能保持直立并连续跳跃，甚至能从颗粒介质堆中“挣脱”出来。
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游泳性能与水动力机制：
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机器人水生运动特性：
原型机利用其非对称鳍在水中展示了惯性驱动多向推进（IDMP）能力。通过调整音圈电机的振动频率，机器人能够实现灵活的转向控制，最小转向半径仅为5.6毫米。直线游泳在35、44和60赫兹频率下观察到。实验测得的角速度-频率曲线与零值线相交三次，代表了三个直线前进频率，证明了IDMP的有效性。
L，(G) 推力FˉT，(H) 扭矩τˉ。(I) 模拟的时间平均净扭矩-频率曲线四次与零值相交，与(B)中的角速度-频率曲线表现出显著的相似性。">
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水动力推力产生原理：
通过粒子图像测速和计算流体动力学模拟，研究人员深入分析了推力产生的瞬态过程。分析表明，净动量积累主要源于前进与后退冲程之间的贡献差异。在冲程阶段，推力快速变化，产生显著的动量变化；而在静态阶段，推力围绕中性轴振荡，产生的动量可忽略不计。因此，每个周期内的净动量主要由前进和后退冲程的动量差产生。
150 s-1)。在静态阶段，涡量较弱(<60 s-1)，表明流体与鳍的相互作用主要发生在冲程阶段。两侧的非对称涡量场表明，在同一频率下，两侧的鳍与流体的相互作用不同，导致了转向运动。(B和C) 一个典型情况（17.5毫米鳍在40赫兹下）在一个振动周期内的瞬态推力和动量曲线。推力和动量在冲程阶段变化显著。(D) 所有频率下一个振动周期内四个阶段的动量贡献。净动量主要来自两个冲程阶段的动量差，因为静态阶段的贡献基本相互抵消。(E和F) 图表和图像显示了在后退冲程和静态阶段2期间的鳍形状及相应的压力场。实线箭头显示了局部推力方向。(G) [E(c)]中速度场的局部放大。通过粒子图像测速捕捉到的涡旋由鳍两侧的环形流组成，没有任何连接，表明惯性驱动多向推进的原理与鱼类不同。(H) 前进和后退冲程结束时的鳍形状表明，鳍的倾斜安装导致流体积聚区的大小不同，如红色箭头所示。(I) 示意图显示了机器人在进行冲程运动时鳍的形状变化。在机器人向前撞击时，鳍收缩以减少前进阻力；在向后撞击时，鳍张开以增加向后阻力。">
推力差异源于流体-固体相互作用行为的变化。鳍的倾斜安装是关键：在前进冲程中，鳍收缩以减少流体阻力；在后退冲程中，鳍张开以增加阻力，并增强根部变形区的流体积聚。这种几何不对称性导致后退冲程产生更大的流体积聚面积和更严重的结构变形，从而产生净向前的推力。
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惯性驱动多向推进（IDMP）原理：
机器人推进依赖于前后冲程间的动量差。实验和模拟均表明，鳍的时间平均推力显著依赖于频率。通过调整频率，可以改变左右鳍的推力组合，从而实现IDMP。频率通过改变静态阶段的截止时间来影响净动量，这个截止时间决定了该阶段产生的动量大小，并为下一个冲程阶段设定了初始条件（初始推力值和鳍的初始形状）。不同长度的鳍具有不同的共振频率，导致其推力-频率曲线存在横向平移。这些曲线的交点即为直线前进频率。在交点频率的一侧，机器人会转向一侧；在另一侧，则转向另一侧。这一机制使得仅通过调节单个驱动器的频率就能实现可控的转向游泳。
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系统演示：
为了实际应用，机器人原型集成了定制化的微型主控板和柔性霍尔传感器板，实现了自包含和多种反馈模式。演示中，机器人成功展示了跨越泥地、石堆、沙地并最终进入水中游泳的能力。在一项模拟搜救任务中，其坚固的外壳保护其免受外部冲击，并能通过跳跃自行脱困，随后利用微型摄像机观察“幸存者”，最后在小冲程振动模式下推动障碍物以清理“生命线”。
结论与讨论：
这项研究成功展示了一种名为Leglessbot的、基于惯性驱动的、自包含的、厘米尺度的全密封刚性外壳机器人。其核心创新在于设计了一种强大的、模式可调的音圈电机，能够实现跳跃（爆发式驱动）、全冲程振动（中等输出和频率驱动）和小冲程振动（高频驱动）三种模式。原型机在陆地上表现出高鲁棒性、从沙中跳出、沙地高速移动、负载搬运和连续跳跃等优异特性。其被动式非对称鳍能够将往复运动转化为可操控的水中推进力。通过系统的水生运动捕捉、粒子图像测速实验和流体-结构相互作用计算流体动力学模拟，研究深入探究了其惯性驱动的推力产生机制和惯性驱动多向推进原理。最终，机器人成功演示了跨越多种地形的两栖运动，充分展现了惯性驱动技术在实际应用中的巨大潜力。
讨论部分进一步指出，机器人机械和电磁设计对于实现陆地运动至关重要，特别是磁体与机器人总质量的比例需要平衡输出惯性与功耗。现有的大多数游泳机器人依赖主动控制的推进器或鳍，其小型化深水应用面临动态密封技术的限制。而本研究提出的基于惯性产生推力并保留全密封刚性外壳的方法，为微型深海游泳器提供了新思路。频率依赖的模式调节有利于微型系统，但其稳定运行依赖于构建的环境（如平坦地面、静水）。未来的研究将集中于通过开发反馈控制策略和自适应结构设计来提高环境适应性。此外，优化能源效率和机载电源系统的小型化，对于机器人在非结构化地形或水下环境中的无缆操作至关重要。
