自重构机器鱼群：集体实现多模态运动与复杂水下任务的突破

《SCIENCE ADVANCES》：Self-reconfigurable robotic fish swarms: Collective achievement of diverse locomotion and challenging aquatic tasks

本研究针对传统水下机器人形态固定、运动模式单一、难以适应非结构化水环境的问题，开发了一种基于电永磁体（EPM）连接的自重构机器鱼群系统。该系统通过动态协同装配策略实现自主组装与重构，显著提升了群体在稳定性、机动性、游泳速度及能量效率（COT=0.51）等方面的运动性能，并成功演示了在复杂水下环境中的多目标连续运输、狭缝穿越及浅滩爬行等多模态协作任务，为水下自适应机器人系统提供了新范式。

　　

在浩瀚的水下世界，鱼类通过精巧的鳍条运动展现出惊人的适应性——它们既能以身体尾鳍（BCF）模式高速巡游，又能通过中鳍/对鳍（MPF）模式在珊瑚礁缝隙间灵活转向，甚至像弹涂鱼一样用胸鳍在浅滩爬行。然而，传统水下机器人却长期受困于“专机专用”的桎梏：固定形态的推进器难以兼顾效率与机动性，单一运动模式无法应对复杂多变的水下地形。更严峻的是，当机器人需要协作完成物体运输、障碍清理等任务时，个体能力的局限性愈发凸显。如何让水下机器人像鱼群一样，通过集体协作突破个体极限，成为研究者亟待破解的难题。

近日发表于《科学·进展》（SCIENCE ADVANCES）的一项研究，通过模仿鱼类多鳍协同的运动策略，提出了一种具有自主组装能力的自重构机器鱼群系统。这项研究突破性地将电永磁体（EPM）连接、动态协同装配与多自由度驱动技术相结合，使机器鱼群能像“变形金刚”般动态重构形态，在稳定性、机动性、运动效率等多方面显著超越单体性能，并成功演示了复杂环境下的多任务协同作业。

关键技术方法涵盖三大创新点：一是基于电永磁体（EPM）的连接机构，兼具物理对接与模块间通信功能，支持24.19 N（纵向）至73.70 N（横向）的吸附力；二是针对流体干扰开发的动态协同装配策略，通过线性/圆形编队切换提升空间约束下的对接成功率（从3.25%提升至73.05%）；三是仿生推进与重构控制技术，个体配备尾鳍摆动关节与侧向旋转关节（3个自由度），群体通过中央模式发生器（CPG）实现节律运动协调。

研究结果系统性验证了机器鱼群的综合性能优势：

1. 1.
   运动稳定性方面，当采用π相位差时，侧向连接的Lat²、Lat³构型将头部摆动角抑制至0.67°–0.87°，较单体（5.62°）提升8.3倍；
2. 2.
   机动性提升显著，通过侧向关节对鳍片方向重构，实现低至31 mm的转弯半径（单体为200.36 mm），并在宽度仅300 mm的狭缝中完成U形转弯；
3. 3.
   运动效率突破，纵向Lon⁵构型的运输成本（COT）降至0.51，较单体（1.92）节能73.4%；
4. 4.
   多模态运动能力，Lat³构型在浅水区实现每步进393.3 mm的爬行，并户外验证了浅滩爬行-深水游泳的模式切换；
5. 5.
   复杂任务协作，群体连续完成窄道穿越、闸门旋启（16.52 deg/min）、多目标运输等任务，展现环境适应性。

结论与讨论部分指出，该研究通过同构化模块设计实现了传统需异质机器人才能完成的复杂功能，打破了“专用设计对应专用场景”的思维定式。尽管当前系统仍依赖外部视觉定位，但电永磁体（EPM）在连接、通信之外的感知潜力（如磁场传感）为完全分布式操作指明方向。这项研究为水下自适应机器人系统提供了可重构、多功能的解决方案，在海洋勘探、灾害救援等非结构化环境应用中具有重要前景。