综述：仿生水生跳跃机器人研究进展

本文综述了仿生水生跳跃机器人的研究。介绍了水生生物的跳跃行为及分类，总结了受其启发的脉冲式和动量式机器人的设计、性能等，分析了面临的挑战，如动力输出、肌肉仿生等，还展望了未来发展，对该领域研究有重要参考价值。

　　

一、引言

在自然界中，水生和两栖生物经长期自然选择，进化出基于脉冲、动量及混合的水 - 空气跨域运动能力。这为水生跳跃机器人设计提供了重要参考。研究水生生物跳跃的生物力学，有助于理解其生存繁衍方式，也为机器人设计提供线索。

水生跳跃生物分为脉冲式跳跃者、混合式跳跃者和动量式跳跃者三类。与其他运动形式相比，游泳局限于单一环境，而跳跃具有更强的地形适应性。近年来，仿生陆地跳跃机器人发展迅速，但水生跳跃机器人仍处于探索阶段。

二、水生生物的跳跃行为

水生跳跃是水生和两栖生物的生存机制，可用于躲避捕食者、捕食猎物、社交互动等。其跳跃行为分为三种模式：

1. 脉冲式水生跳跃生物：这类生物体型较小，通过高效的瞬态能量转换，利用对水面的高速冲击力实现快速跳跃。它们的运动模式包括水面跳跃（如水黾、跳虫、中华稻蝗）、空气 - 水跳跃（如水栖青蛙、飞鱿鱼）和水下跳跃（如虾）。水黾凭借轻质身体和疏水腿部，利用水面张力在水面快速滑行和跳跃；跳虫能进行高度定向跳跃，在空气中迅速调整姿态；水栖青蛙依靠强大的后肢肌肉力量从水面跳起捕捉昆虫；飞鱿鱼利用水射流推进跃出水面，实现长距离空中滑翔；虾通过 “尾翻” 在水中快速移动躲避捕食者；中华稻蝗在落水后能迅速跳离水面。
2. 动量式水生跳跃生物：通常体型较大，具有强大的肌肉系统和良好的耐力。它们通过持续积累动量，在水中达到较高速度后跃出水面，实现复杂的运动。例如，海豚凭借独特的身体结构和灵活的尾巴，能以高达 11.1m/s 的速度游泳，并跳出水面 5m 以上，进行复杂的空中动作；飞鱼通过身体波动和尾鳍摆动加速，跃出水面后利用胸鳍滑翔，速度可达 10m/s；企鹅为了繁殖和休息，能以较高速度跃出水面登上海冰；蝠鲼以旋转游泳姿势跃出水面，高度可达 1.5 - 4m。
3. 混合式水生跳跃生物：这类生物在跳跃过程中结合多种技术，如弓背鱼能在水下快速游动积累动量，然后跃出水面捕食，还能精确控制喷水击落空中昆虫；鳄鱼通过静态攻击跳跃和动量加速跳跃两种方式，提高捕食的灵活性和成功率。
4. 其他水 - 空气跨域运动生物：如鲣鸟，能从空中俯冲潜入水中捕食，利用重力势能和翅膀的形态变化实现高效的跨域运动。

三、脉冲式水生跳跃机器人

脉冲式水生跳跃机器人旨在实现水面向空中的跨域跳跃，其设计具有以下特点：防水设计、利用弹簧等储能装置快速释放能量、具备稳定性和控制能力、适应水的浮力和阻力、轻量化。近年来，受多种水生生物启发，研发出一系列此类机器人。

1. 受水黾启发的机器人：水黾能在水面轻松跳跃，基于其轻质身体、疏水腿部和连续跳跃能力，研究人员开发了多种仿生机器人。这些机器人的运动模式主要包括水面滑行和水生跳跃，如 Robostrider、WSR、WDII、SSWJR 等，它们在体重、尺寸、跳跃高度和运动方式等方面各有特点。
2. 受飞鱿鱼启发的机器人：飞鱿鱼利用水射流推进实现水下跳跃，一些机器人借鉴了这一原理。如 AquaMAV 通过 CO₂驱动的水射流推进，能从水下跃出并在空中滑翔；UR 利用碳化钙与水反应产生的乙炔气体实现跳跃和滑翔；SLAAV 具有多种运动模式，包括水下游泳、跨介质喷射飞行和空中滑翔。
3. 受桡足类启发的机器人：Copebot 模仿桡足类，通过增强的推力传输系统实现快速跳跃和精确运动，其加速度峰值可达 850 体长?s^-2 ，比早期水下软机器人快八倍。
4. 受青蛙肢体启发的机器人：IAJM 模仿东南亚两栖青蛙的跳跃机制，由 1 - DOF 四杆机构、流线型头部、青蛙启发的桨和橡皮筋储能单元组成，在陆地和水中的跳跃高度有所不同，反映了水生跳跃中的能量损失。
5. 受中华稻蝗启发的机器人：LR 受中华稻蝗启发，其肢体由碳纤维片制成，通过专门设计的气动触发机制控制肢体运动，可实现多种形式的表面运动。

四、动量式水生跳跃机器人

动量式水生跳跃机器人模仿能在水中快速加速并产生强大推力的生物，如飞鱼、海豚等。其核心设计是利用推力跃出水面，通常具有快速游泳速度、仿生设计、高鲁棒性和多模态运动等特点。

1. 受飞鱼启发的机器人：飞鱼凭借强大的尾巴，能以高达 10m/s 的速度游泳并跃出水面。目前对仿生飞鱼机器人的研究主要集中在模仿其跳跃和滑翔运动，通过复制其翅膀和身体结构，提高跨介质运动效率。如 AARV、RMO、UBRF、KUFish、RFF、FUSR 等机器人在游泳速度、跳跃能力、滑翔性能等方面不断改进和探索。
2. 受海豚启发的机器人：海豚能以 11.1m/s 的速度游泳，并跳出水面 5m 以上。开发仿生海豚机器人可用于研究生物海豚，也可应用于水质监测等领域。如 FSDR 机器人能以特定速度跳跃，通过实验和建模对其跳跃运动进行量化分析。

五、水生跳跃的挑战

水 - 空气跨域连续跳跃是复杂的运动形式，面临诸多挑战：

1. 跳出水面：机器人跳出水面需克服水的阻力和重力，要求动力输出和推力匹配良好，同时要协调多模态运动，实现水动力和空气动力的平稳过渡，并保证结构强度和重量的平衡。
2. 仿生人工肌肉：现有机器人的执行器与生物肌肉存在差距，开发仿生人工肌肉需从解剖学研究、软材料开发、机械关系分析和结构设计等方面入手。
3. 连续水生跳跃：脉冲式水生跳跃机器人实现连续能量存储和跳跃存在困难，如能量存储和释放机制复杂、结构设计难度大、可控性差、应力集中等问题。水射流推进在空气中无法持续提供动力，目前混合环境水与碳化钙粉产生乙炔气体是实现连续跳跃的有效方法之一。
4. 防水设计：水生机器人的防水设计至关重要，随着潜水深度增加，对密封材料的要求更高。防水设计需考虑多层密封系统，同时要解决动态密封的摩擦和磨损问题，以及封闭设计带来的散热问题。
5. 水生跳跃机器人的动力学：仿生水生跳跃机器人的理论尚不成熟，面临流体 - 结构相互作用和流体动力学等机械问题。需通过合理调整机器人配置，利用流体 - 结构相互作用增强跳跃高度，并结合实验验证模型的准确性。
6. 现实环境中的优化：在现实环境中，可通过使用轻质材料、建立流体动力学模型、引入自适应控制算法和采用多模式推进技术等策略，优化机器人的跳跃动力学和推进系统。

六、未来展望

目前尚无混合跳跃机器人的设计，受鳄鱼等生物启发的设计有望增强机器人的连续脉冲和动量式水生跳跃能力。设计时可将传动和储能装置集中在躯干，使用大功率无刷电机和齿轮箱，参考苏格兰轭机制设计尾巴振荡机构，利用 3D 打印技术制作尾巴模具。安装双目视觉传感器可提高机器人对环境的感知和决策能力，这些技术的集成将提升机器人在复杂环境中的性能，在环境监测、搜索救援和生物研究等领域具有应用潜力。

七、结论

本文从水生跳跃生物的角度，对水生跳跃机器人的仿生设计进行了研究。对水生生物的跳跃行为进行分类，回顾了相关生物学研究，介绍了脉冲式和动量式水生跳跃机器人的研究进展，并分析了面临的挑战和未来发展方向，为该领域的发展提供了参考。