基于软电液鳍驱动的多模态水陆两栖机器人设计与性能研究

为解决软体机器人在水陆环境中高效驱动与多模态运动转换的难题，研究人员开发了一种径向对称配置的软电液鳍驱动（electrohydraulic flippers）机器人，通过优化电极封装工艺和驱动频率，实现了陆地爬行、水下爬行和游泳三种运动模式的平滑切换。该研究首次展示了电液驱动器在跨介质环境中的连续驱动能力，为多模态软体机器人开发提供了新思路。

　　

在自然界中，青蛙、海龟等生物能够在水陆环境中自由切换运动模式，这种能力激发了科学家对仿生机器人的探索。然而，传统软体机器人在跨介质环境中常面临驱动效率下降、运动模式单一等问题。例如，气动驱动器在水中易受浮力干扰，磁驱动机器人则依赖笨重的磁场发生装置。如何实现无需结构重构的跨介质连续运动，成为软体机器人领域的重要挑战。

针对这一难题，国内某研究机构的研究人员设计了一种基于软电液鳍驱动的多模态水陆两栖机器人。该成果发表在《Cyborg and Bionic Systems》期刊上，首次实现了电液驱动器在陆地和水中的无缝切换，为环境自适应机器人提供了新范式。

研究团队采用三项关键技术：

1. 单侧电极封装工艺：通过三层防水处理（软胶-PET膜-紫外固化）确保电液鳍在水中稳定工作；
2. 力-电-液耦合模型：理论预测驱动器弯曲角度与电压关系，确定6 kV为最优驱动电压；
3. H桥电路设计：交替正负电压信号消除PET薄膜极化效应，实现高频驱动（最高6 Hz）。

研究结果

1. 陆地全向爬行：
   通过单鳍驱动产生的摩擦差实现运动，最优频率6 Hz时速度达2.9 cm/s。理论模型显示驱动器最大弯曲角受液体分布限制为65°。

2. 水下运动模式切换：

• 双鳍爬行：利用鳍片拍打产生推进力，速度3.2 cm/s（1.6 Hz）；
• 三鳍游泳：初始角度60°时速度最快（5.9 cm/s），流体仿真揭示涡环生成与捕获机制提升效率。

1. 环境适应性：
   在2.1-61.3°C范围内保持运动能力，仅低温下因硅油粘度增加导致速度降至2.7 cm/s。

结论与意义
该研究通过创新性结构设计（径向对称三鳍布局）和驱动优化，突破了电液驱动器在跨介质环境中的连续性瓶颈。其重要意义在于：

1. 方法论突破：建立的力-电-液耦合模型为柔性驱动器设计提供理论工具；
2. 技术普适性：封装工艺可扩展至其他水下电驱动系统；
3. 应用潜力：为极地勘探、灾害救援等复杂环境任务提供新型机器人解决方案。

未来需进一步解决薄膜极化残余和多驱动器并联稳定性问题，但本研究已为多模态软体机器人发展树立了重要里程碑。