受鲱鱼形态启发的多稳态软体机器人游泳器

《IEEE Transactions on Robotics》：A Labriform-Inspired Multi-Stable Soft Robotic Swimmer

提出一种双稳态驱动器与刚性-柔韧胸鳍结构结合的软体机器人，通过分析模型和CFD模拟验证其高效推进和灵活转向特性，最高速度达17.53 cm/s，转向半径0.58倍体长，为仿生机器人设计提供新策略。

　　

摘要：

基于胸鳍（鳃状）的游泳方式结合了高速推进能力和灵活的机动性，这得益于刚性-柔性鳍结构的划分。受这一原理的启发，我们设计了一种多稳态的软体机器人游泳器，它由两个楔形的双稳态执行器组成，这些执行器与类似鳍的刚性-柔性结构集成在一起。双稳态执行器能够产生大范围的快速变形以产生推力，而柔性的鳍膜则在回收过程中实现减阻的“羽毛状”运动。我们开发了一个分析模型来预测双稳态执行器的形状，并通过实验验证，其预测精度最低达到了97.74%。计算流体动力学（CFD）分析表明，双稳态切换会引发涡旋偶极子的喷射，从而有助于推力的产生。该机器人能够达到最大速度17.53厘米/秒，转弯半径为身体长度的0.58倍，转弯速度为31.51°/秒，这突显了我们的设计在提升游泳速度和机动性方面的优势。通过将双稳态驱动技术与仿生鳍结构相结合，这项工作为机器人系统实现快速且灵活的游泳提供了一种原理性的设计策略。

引言

水生生物的游泳策略长期以来一直启发着仿生水下机器人的发展[1]、[2]、[3]。其中，基于胸鳍的鳃状游泳方式因其速度与机动性的平衡而备受关注，例如豆娘鱼、鹦嘴鱼和黑斑海鲷[4]。在鳃状游泳者中，胸鳍具有明显的近端-远端功能分区：由深侧肌和浅侧肌驱动的刚性近端区域（图1(a)）在动力冲程中产生推力，而由鳍条和鳍膜组成的远端区域在流体动力作用下被动地进行“羽毛状”运动，以减少回收过程中的阻力[5]。许多现有研究通过建模和机器人原型探索了胸鳍的推进机制。冯和苏利用高保真CFD模拟研究了鳃状游泳方式，并证明胸鳍驱动的驱动方式可以增强游泳机动性[6]。已经开发出多种基于胸鳍的机器人，它们利用电机-连杆驱动机制产生鳍的振动，从而实现灵活的机动性[7]、[8]。然而，这些设计通常没有完全体现生物胸鳍的功能性刚性-柔性分区，特别是在回收过程中远端区域的被动“羽毛状”运动。因此，减阻效果有限，从而限制了推力和游泳速度。图1.

(a) 示意图展示了生物鱼鳍与所提出的仿生结构之间的对应关系；(b) 展示了双稳态执行器在流体压力作用下的状态转换，其中FPC-A和FPC-B分别沿楔形的宽度和高度方向排列，以及两个流体驱动单元（FPC-A、FPC-B）、McKibben执行器和楔形钢芯的组装关系。