基于柔性铰链调谐的双稳态驱动器用于仿生 jellyfish（水母）机器人

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：Bistable Actuator Tuned via Flexible Hinges for Bioinspired Jellyfish Robot

　　

随着海洋资源探索与研究的不断深入，仿生水下软体机器人正发挥着日益重要的作用。Jellyfish（水母）作为海洋中高效运动的典范，凭借其独特的伞状体型和高效的脉冲射流推进机制，在水下仿生机器人领域引起了广泛关注。受水母脉冲推进及箱水母（box jellyfish）通过触手（tentacles）转向的启发，本研究设计并制作了一种由复合双稳态驱动器（composite bistable actuators）与纤维增强软体驱动器（Fiber-Reinforced Soft Actuators, FRSA）混合驱动的仿生jellyfish机器人。该双稳态驱动器通过减薄局部梁段（beam segments）作为柔性铰链（flexible hinge），实现了对突跳力（snap-through force）和释放能量的精确调控。为优化机器人的水下推进性能，研究人员设计并制作了类鱼鳍（fish-fin-like）结构。基于ANSYS FLUENT的流体动力学分析表明，在三种 investigated（研究）的装配角度中，45°构型展现出最优的推进性能。该仿生jellyfish机器人最大瞬时运动速度达到6.4 cm/s，平均速度为5.6 cm/s，并通过FRSA实现了转向功能。此外，该jellyfish机器人表现出优异的水下负载运动能力，在携带200 g配重时仍可达到3.5 cm/s的运动速度，进一步验证了所提出jellyfish机器人的出色运动性能。研究人员还计算了该机器人的运输成本（cost of transport, COT）为0.25。本研究为开发兼具高运动性能和低能耗特性的软体机器人提供了新的设计理念和实践基础。

随着海洋资源勘探需求的持续增长，水下机器人技术在海洋环境监测与作业中扮演着关键角色。传统水下机器人通常由刚性构件构成并依赖螺旋桨推进，存在噪声干扰大、能量效率低及环境适应性差等问题。相比之下，仿生软体机器人（bioinspired soft robots）利用柔性材料实现多自由度变形，展现出更高的顺应性（compliance）与安全性，成为解决上述局限的重要技术路径。在海洋生物中，水母（jellyfish）经过超过5亿年的进化，形成了独特的伞状肌肉收缩-舒张机制，通过腔体内水流周期性吸入与向后喷射产生反作用力实现高效推进。然而，现有仿生水母机器人多采用介电弹性体（Dielectric Elastomer Actuator, DEA）、形状记忆合金（Shape Memory Alloy, SMA）等驱动方式，均需持续外部能量输入来维持变形，不仅限制了连续作业时间，也制约了运动响应速度与推进效率的进一步提升。双稳态机构（bistable mechanism）凭借其双稳态阱（two discrete energy wells）特性，可通过预储能-快速释放的物理机制实现类似水母伞状肌肉的收缩-舒张，且无需额外能耗维持变形状态，同时突跳（snap-through）过程中的瞬态能量转换可产生远超传统软体驱动器的响应速度与爆发力。此外，箱水母（box jellyfish）通过伞体收缩与触手振荡的多模态协同机制实现高速高机动性运动，这为本文设计提供了重要仿生学启示。基于此，研究人员开展了基于双稳态突跳推进机制的仿生水母机器人研究，旨在解决现有技术中能量效率与运动性能难以兼得的瓶颈问题，为新一代能源自主型高速软体机器人奠定理论与技术基础。该论文发表于《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：基于纤维增强软体驱动器（FRSA）的仿生触手设计与控制、局部减薄柔性铰链的双稳态结构优化设计、基于能量输出密度指标（W_v）的结构参数评价方法，以及基于ANSYS FLUENT计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）的二维瞬态数值模拟与用户自定义函数（User-Defined Function, UDF）编程实现流固耦合分析。

**纤维增强软体驱动器（FRSA）的设计与表征。** 研究人员设计并制作了FRSA以模拟箱水母触手的主动弯曲与振荡功能。该驱动器通过气体输入实现可控弯曲变形，单侧FRSA的非对称控制可实现机器人的定向转向。相较于传统仿生jellyfish机器人的单模式运动限制，FRSA的引入有效拓展了机器人的运动模态。

**柔性铰链双稳态结构的力学建模与优化。** 研究人员提出了一种六边形花瓣状双稳态结构，通过减小局部梁段厚度形成柔性铰链以降低整体结构刚度，从而降低结构突跳所需的临界力并增强变形过程中的顺应性。在此过程中，引入单位体积能量输出指标（W_v）作为评价双稳态结构输出性能的度量，据此确定了机器人运动的最优结构参数。通过建立理论解析模型与有限元仿真，系统研究了拱高（arch height）、铰链长度（hinge length）及梁厚比（beam thickness ratio）等关键几何参数的影响规律。

**类鱼鳍结构的流体动力学分析与优化。** 研究人员建立了机器人的二维简化模型，通过UDF脚本编码其运动机制，并在ANSYS FLUENT中进行数值模拟。研究考察了类鱼鳍结构的装配角度对机器人运动性能的影响，结果表明45°装配角度在三种候选角度中具有最优的推进性能，为后续实验研究奠定了理论基础。

**双稳态复合驱动器的动态响应分析。** 基于Taylor阻力理论建立了简化理论模型，将鳍的拍动频率与产生的推进力相关联。通过二维瞬态CFD仿真评估了鳍装配角度对机器人运动的影响，确定了最优装配角度。动态分析进一步验证了双稳态驱动器在突跳过程中的快速能量释放特性。

**水下实验验证。** 研究人员开展了系留与无系留游泳测试，表征了不同驱动频率下的前向推进速度；通过FRSA的非对称驱动展示了机器人的转向能力；通过附加配重评估了负载运动能力。实验结果表明，机器人最大瞬时速度达6.4 cm/s，平均速度5.6 cm/s；携带200 g配重时速度为3.5 cm/s；运输成本（COT）为0.25，验证了双稳态-鳍复合驱动设计的有效性。

在讨论与结论部分，研究人员总结了双稳态突跳推进机制与FRSA协同驱动仿生jellyfish机器人的综合优势。该设计不仅充分利用了双稳态结构的高能量利用效率与爆发式脉冲推进特性，还通过FRSA的非对称控制实现了机器人的精确方向调整，显著提升了仿生jellyfish机器人的综合运动性能。柔性铰链设计通过局部减薄实现了对突跳力的精确调控，单位体积能量输出指标（W_v）为结构参数优化提供了量化依据。45°装配角度的类鱼鳍结构经流体动力学优化后被证实具有最佳推进性能。数值模拟与实验结果的一致性验证了所提出设计方法的有效性。该研究为下一代能源自主型高速软体机器人的开发提供了新颖的设计理念与理论基础，特别是在降低能耗与提升运动性能方面具有重要应用价值。