一种由矢量声学系统驱动的微型无线机器人游泳器

《Ultrasonics》：A miniature wireless robotic swimmer actuated by a vector acoustic system

微型水下机器人采用矢量声学驱动与电磁马达协同的混合推进系统，实现高机动性运动控制。实验表明该机器人线速度达79.2mm/s，可穿越1.5倍体长的狭窄空间，有效解决传统推进器在受限水域的转向半径限制与安全隐患问题。

　　随着科技的发展，微型水下机器人在环境监测、管道检查以及生物样本采集等领域展现出巨大的应用潜力。这类机器人因其体积小巧、机动性强而受到学术界和工业界的广泛关注。然而，传统的螺旋桨推进系统在狭窄水下空间中存在机动性受限和潜在安全隐患等问题。为此，本文提出了一种基于矢量声学系统的微型机器人游泳者，旨在解决这些问题，提升其在复杂水下环境中的运动性能。

该机器人直径为8.5厘米，高度为10厘米，其核心推进机制采用了高频率的超声波技术。通过压电换能器产生高强度的超声波，这些超声波在流体中产生定向的喷射流，从而推动机器人前进。与传统推进方式不同，这种声学推进方式能够实现更灵活的运动控制，而无需依赖复杂的机械传动系统。为了实现对喷射方向的精准调整，机器人还配备了一个微型电磁电机，用于调节压电执行器的对齐方式，使系统能够在不依赖转弯半径的情况下完成全范围的推进。

在设计过程中，研究人员充分考虑了微型机器人在实际应用中的需求。传统的水下机器人多采用电机驱动螺旋桨或仿生机械结构来产生推进力，虽然这些方法在一定程度上有效，但它们通常需要复杂的机械传动系统，从而增加了系统的体积和重量，并限制了其在狭窄空间中的应用。此外，这些系统还可能产生电磁干扰，影响其他电子设备的正常运行。相比之下，声学推进系统具有结构紧凑、功率密度高、响应速度快、精度优良以及无电磁干扰等优点，使其成为微型水下机器人推进系统的一种理想选择。

为了进一步提升机器人的机动性，研究团队将矢量推进系统与无线控制模块相结合。这一设计不仅使得机器人能够实现远程操控，还大大增强了其在复杂水下环境中的适应能力。通过无线通信技术，操作者可以实时调整机器人的运动方向和速度，从而在狭窄的水下通道中灵活穿行，避开障碍物。实验结果表明，该机器人能够以最大线速度79.2毫米/秒进行运动，并在远程无线控制下穿越宽度为1.5倍机身长度的狭窄间隙，展现出出色的机动性和避障能力。

本文提出的微型机器人游泳者不仅在结构设计上有所创新，还在推进机制和控制策略上进行了优化。其核心在于将压电换能器与电磁电机相结合，形成一种混合推进系统。压电换能器通过产生高强度的超声波，利用声辐射力在流体中产生定向喷射流，从而实现推进。而电磁电机则用于调节压电执行器的对齐方式，从而改变喷射方向，使机器人能够实现灵活的运动控制。这种设计突破了传统推进系统在狭窄空间中的局限，使得机器人能够在复杂环境中自由移动。

在系统设计方面，研究人员借鉴了章鱼的液体喷射推进机制，开发出具有矢量喷射能力的微型机器人。机器人整体由三个外壳、两块印刷电路板（PCB）、六块电池、一个直流齿轮电机以及一个声学执行器组成。外壳的设计不仅考虑了结构的稳固性，还兼顾了流体动力学的优化，以减少水下阻力并提高推进效率。印刷电路板则用于集成控制电路和无线通信模块，确保机器人能够实现智能化的运动控制。电池系统为机器人提供了持续的动力来源，而直流齿轮电机则用于精确控制喷射方向，从而实现方向调整和姿态控制。

为了验证该机器人在水下环境中的运动性能，研究团队进行了系统的实验测试。实验分为三个主要部分：第一部分是声学执行器的输出特性测试，用于评估其在不同频率和电压下的性能表现；第二部分是声学推进模块的力特性分析，以确定其在不同水下条件下的推力和效率；第三部分则是对无线驱动机器人运动性能的全面评估，包括其在狭小空间中的穿行能力以及避障表现。实验结果表明，该机器人在水下环境中能够稳定、灵活地运动，并在远程控制下成功完成复杂路径的穿越。

此外，研究团队还通过数值模拟对声学执行器的推进原理进行了深入分析。利用Comsol 6.3软件建立了一个耦合的声学-流体-固体模型，以研究声波在流体中的传播特性及其对机器人运动的影响。该模型采用二维轴对称结构，以减少计算时间并提高模拟效率。模型中包含了固体和流体两个区域，其中固体区域采用PZT-4材料，其上表面与水接触。通过模拟，研究人员能够更好地理解声波如何在流体中产生喷射流，并进一步优化执行器的设计，以提高其推进效率和控制精度。

在实验验证过程中，研究团队还特别关注了机器人的实际应用场景。例如，在狭窄水下通道中，传统的螺旋桨推进系统往往因为需要转弯而受到限制，而该机器人通过调整喷射方向，可以在不改变自身姿态的情况下完成直线运动或转向操作。这种设计使得机器人能够更有效地在复杂水下环境中移动，避免了传统推进方式所带来的局限。同时，机器人还具备较强的避障能力，能够在遇到障碍物时自动调整运动轨迹，从而实现安全、高效的水下作业。

从实际应用的角度来看，该微型机器人游泳者具有广阔的前景。在环境监测方面，它可以用于监测水下生态系统的变化，收集水质数据，并对污染物进行追踪。在管道检查中，它能够进入狭窄的水下管道，检测管道内部的腐蚀、结垢或其他异常情况，为维护和修复提供重要信息。在生物样本采集方面，它可以在复杂的水下环境中采集生物样本，为海洋生物学研究提供支持。此外，该机器人还可用于水下考古、资源勘探以及海洋工程等领域，为相关研究和应用提供新的工具。

在技术实现方面，该机器人结合了多种先进技术，包括压电材料、电磁驱动、无线通信以及流体动力学优化。压电材料的应用使得机器人能够实现高效的能量转换，将电能转化为机械运动，从而推动机器人前进。电磁驱动技术则用于精确控制喷射方向，使机器人能够实现灵活的运动控制。无线通信模块的引入，使得机器人能够在远程操控下完成复杂的任务，提高了其在实际应用中的适应性和操作性。流体动力学优化则确保了机器人在水下运动时的稳定性，减少了阻力并提高了推进效率。

从工程实践的角度来看，该机器人在设计和制造过程中面临诸多挑战。首先，如何在有限的空间内集成多种功能模块，同时保持结构的紧凑性和稳定性，是设计的关键。其次，如何优化声学执行器的性能，使其能够在不同的水下环境中产生足够的推力，同时减少能耗，也是研究的重点。此外，如何实现无线控制模块与推进系统的高效协同，确保机器人在复杂水下环境中能够稳定运行，还需要进一步的工程优化和测试。

在实际应用中，该机器人还需要克服一些环境因素的限制。例如，在深海或高盐度的环境中，水的密度和粘度会发生变化，这可能会影响声波的传播特性和喷射流的形成。因此，研究团队需要对机器人进行适应性优化，使其能够在不同的水下环境中保持良好的运动性能。此外，水下环境中的水流速度和方向也会对机器人的运动产生影响，因此需要设计相应的控制策略，以确保机器人在动态水下环境中能够稳定运行。

综上所述，本文提出的微型机器人游泳者是一种创新的水下推进系统，它结合了压电声学推进和电磁驱动技术，实现了在狭小水下空间中的高效、灵活运动。通过实验验证和数值模拟，研究人员证明了该机器人在实际应用中的可行性，并展示了其在环境监测、管道检查和生物样本采集等领域的巨大潜力。未来，随着技术的进一步发展和优化，该机器人有望在更广泛的水下任务中发挥作用，为水下机器人技术的发展提供新的思路和方向。