可调波动步态软体机器蛇的水下高效运动机制研究与仿生设计

这篇研究通过仿生学设计开发了一种基于液压驱动的软体机器蛇，采用3D打印柔性执行器（TPU）模拟鳗鱼运动模式（anguilliform locomotion）。研究系统分析了相位偏移（s=2/3π）、电压增长率（β=1.2）、尾部材料（PLA/TPU）和波动频率（T=6s）等参数对运动性能的影响，最高实现4.464 cm/s-1（0.076 BL/s）的游速，为水下探测机器人（soft robotic swimmers）的能效优化提供了新思路。

　　

2 Materials and Designs

2.1 系统架构

研究团队采用3D打印技术（Creality打印机）制造了波纹管式柔性执行器，材料选用TPU NinjaFlex Midnight，壁厚1mm。通过优化打印参数（层高0.2mm，打印温度225°C），实现了气密性良好的执行器结构。液压齿轮泵（ZC-750）驱动封闭循环系统，通过双向水流转移产生压力差（高压区>45kPa时弯曲角达91.5°），而浮力控制模块（CMOD）通过15kPa气压调节实现水下悬停。

2.2 游泳模态

仿照海蛇生物力学特征，建立行进波方程y(s,t)=Ae^αs/Lsin(2π(s/λ-t/T))，其中振幅系数α控制波动从头部到尾部（L=58cm）的指数增长。实验采用三种尾部材料（PLA/TPU95A/TPU85A），100g负载测试显示PLA变形量最小，刚度最高。

3 Control

3.1 稳态弯曲行为

ABAQUS仿真与实验数据吻合，显示弯曲角与液压（0-45kPa）呈非线性关系。当压力>15kPa时，腔室壁完全接触导致弯曲增长率下降。电压-时间测试表明，24V驱动下执行器能在更短时间内达到>60°弯曲角，电压敏感性高于作用时间。

3.3 相位与振幅策略

采用中枢模式发生器（CPG）耦合Kuramoto振荡器模型，通过相位偏移（s）和电压增长率（β=V2/V1）调控波动传播。最优参数组合为：s=2/3π对应周期T=6s，β=1.2（V1=20V，V2=24V），此时产生最大推进效率。

4 直线游动性能

相位偏移实验显示，s=2/3π时PLA尾部实现峰值速度4.464cm/s，较s=π/3（1.85cm/s）提升141%。频率测试表明，低频（f=0.17Hz）大振幅（0.04058m）比高频（f=0.25Hz）小振幅（0.0136m）更有效，但周期<4s会导致波动不足。

5 结论与展望

当前系统在相位控制、材料刚度和驱动策略方面取得突破，但速度仍低于真实海蛇（0.1-0.6m/s）。未来将聚焦三维运动控制、变刚度尾部设计和脱束缚系统开发，潜在应用于珊瑚礁监测等场景。需注意液压系统残存气泡导致的运动不稳定性，改进后将提升环境适应性。