基于幽灵刀鱼仿生机器鱼通过波动臀鳍推进与柔性躯体增强运动性能的研究

《iScience》：Knifefish-inspired robotic fish enhances locomotion performance by undulatory anal fin propulsion and flexible body

　　

受黑鬼刀鱼启发，研究人员开发了名为Naiad的仿生机器鱼，它结合了柔性躯干与伺服驱动的臀鳍。通过协调的躯体变形与波动鳍推进，实现了前进、后退、转向及垂直运动。实验结果显示，Naiad最高游速达0.20体长每秒（BL/s），最低运输成本（COT）为3.42，最大转向速率达23.67°/s（0.41 rad/s），最小转弯半径为0.31体长（BL）。在布满障碍物的狭窄水槽及户外湖泊中的演示进一步证明了其在多种步态下的水中机动能力。这些结果表明，将躯体柔韧性与波动鳍推进相结合能够提升运动多样性，为在受限环境中执行探索与环境监测任务的高敏捷水下机器人提供了一种设计策略。

研究背景与科学问题

复杂的水下环境，如狭窄蜿蜒的通道和植被茂密的区域，对传统水下机器人的机动性和环境友好性提出了严峻挑战。传统的旋桨式推进系统不仅容易在水草中缠绕，其产生的噪声和水动力扰动也可能对敏感的水生生物造成伤害。因此，亟需开发兼具高机动性、低生态干扰的新型水下平台。自然界中的黑鬼刀鱼凭借其长而连续的波动臀鳍和灵活的躯体，能在狭小空间内实现高度敏捷的运动，成为理想的仿生学蓝本。然而，现有的大部分刀鱼仿生机器人研究多集中于单独的波动鳍推进，而忽略了躯体弯曲与鳍波动的协同作用对运动性能的提升潜力。为此，研究人员开展了本研究，旨在通过整合柔性躯体与波动臀鳍，构建一种能显著提升在受限水域中机动性的新型仿生机器鱼。

研究内容与核心结论

为验证上述构想，研究人员设计并制造了名为Naiad的仿生机器鱼，该系统集成了一个由11个独立舵机驱动的波动臀鳍和一个由多关节组成的可弯曲柔性躯体。通过在自由游动状态下进行系统的参数化实验，研究人员量化了不同鳍波参数（波长、频率、振幅）和躯体弯曲系数对直线游速、能量效率（运输成本COT）、转向性能及垂直上升速度的影响。实验结果表明，Naiad在直线运动中表现出良好的速度和效率，其最小COT为3.42，最高游速达到0.20 BL/s。更重要的是，通过主动弯曲躯体，Naiad的转向性能得到极大增强，最大转向速率达到23.67°/s，最小转弯半径仅为0.31 BL，远优于仅依靠鳍偏转的刚性躯体策略。此外，通过模拟刀鱼的相向传播波，Naiad成功实现了垂直上升运动，最大上升速度达3.80 cm/s。最终，在一个布满障碍物的实验室水道和自然湖泊环境中的演示，证实了Naiad具备在复杂真实环境中执行多步态机动任务的潜力。此项研究的重要意义在于，它为设计在狭窄、生态敏感水域中作业的高机动性水下机器人提供了一种有效的仿生设计策略。

主要关键技术方法

1. 1.
   仿生设计与原型构建：基于对黑鬼刀鱼形态学参数的提取与分析，采用3D打印技术制造了分段式柔性躯体，并使用硅胶材料Ecoflex-0030浇铸了连接11根独立驱动鳍条的波动臀鳍膜。整个机器鱼的控制核心为树莓派，通过PCA9685控制器驱动防水舵机阵列产生预设的波动波形。
2. 2.
   运动学与动力学参数化表征：在6米长的实验水槽中，通过相机记录并后处理获取机器鱼的游动轨迹和速度。同时，利用直流功率传感器实时测量舵机驱动系统的功耗，并据此计算无量纲的运输成本（COT）以评估能量效率。
3. 3.
   转向性能量化模型：引入躯体弯曲系数β来量化预设的躯体弯曲程度。为了从力学层面解释转向机制，研究人员建立了一个基于时间平均等效推力的降阶模型。该模型将沿鳍分布的推力按躯体分段方向投影，并假设准稳态二次阻力闭合，从而预测不同躯体弯曲度下的稳态转向速率和半径。
4. 4.
   垂直运动步态复现：通过编程使位于臀鳍前端和后端的舵机产生相位相反的传播波，使两列波在鳍中部相遇并抵消水平方向的推力，从而产生用于上升的垂向力。

研究结果

仿生结构与步态设计

研究人员从黑鬼刀鱼的长臀鳍和扁平躯体获得灵感，设计了Naiad。其臀鳍由11个独立控制的金属鳍条和连续的硅胶膜构成，通过正弦波信号驱动产生行波，实现前进、后退等基本运动。躯体则分为多个关节，通过舵机实现主动弯曲。

直线运动实验与推进速度和效率分析

实验表明，游速随波动振幅的增加而近似线性增加，在50°振幅时达到最大0.20 BL/s。通过双因素方差分析发现，波动频率是影响游速的主导因素，而波长的影响则依赖于频率，存在显著的交互作用。在效率方面，最小的COT值为3.42，出现在波长630 mm、频率0.86 Hz的条件下，对应一个中等水平的鳍波速度。研究指出，Naiad的雷诺数（Re）范围在5.66×10⁴至1.45×10⁵之间，表明其处于惯性主导的流体动力学状态。

转向实验与机动性分析

实验对比了刚性躯体推力矢量转向和主动躯体弯曲转向两种策略。结果显示，即使是最小的躯体弯曲（β=0.14），其转向速率也达到了刚性策略的4倍以上。随着躯体弯曲系数β增大，转向速率单调递增，最大可达23.67°/s，而转弯半径则相应减小，最小仅为0.31 BL。研究人员建立的降阶模型成功预测了转向速率和半径随β变化的趋势，验证了主动弯曲通过重新分配推力和增加力矩臂来提高机动性的机制。

垂直上升运动实验

通过控制鳍条产生从两端向中间传播的相向波，Naiad成功实现了垂直上升。实验发现，在固定频率下，振幅为40°时上升速度最快（3.08 cm/s），而50°时因机体晃动加剧导致速度下降。在固定振幅下，上升速度与波动频率呈正相关，最高速度在1.44 Hz时达到3.80 cm/s。

复杂多障碍环境与实地演示

在布设了狭窄蜿蜒通道的定制水池中，无缆绳版本的Naiad通过切换前进、后退和转向步态，成功完成了穿越任务，用时约69-75秒。在自然湖中的测试则展示了其在开放水域的自由游动能力和搭载的水下摄像头的成像功能。

讨论与结论

讨论部分总结：研究人员指出，Naiad的设计重点在于通过躯体-鳍协调运动来提升在受限环境中的机动性，而非追求高速巡航。其0.20 BL/s的最大游速低于一些同类平台，这与较低的波动频率范围和针对低速机动性的设计目标有关。实验揭示的频率与波长对游速的交互影响，与生物观察结果一致，即刀鱼主要通过调节频率来改变速度。Naiad的斯特劳哈尔数（St）范围为0.603-0.837，高于高效游动的典型值（0.2-0.4），表明其将鳍运动转化为前进速度的效率有待提升，这可能与未优化的体形阻力、鳍的柔顺性或舵机驱动特性有关。在效率方面，研究发现COT与鳍波速度之间存在非线性关系，最佳效率出现在中等鳍波速度附近。对于转向性能，主动躯体弯曲带来的巨大优势被明确量化，但其背后涉及复杂的流固耦合效应，而非单一的力学机制。垂直上升运动的研究初步证实了通过相向波产生升力的可行性，并揭示了振幅的非单调影响。总体而言，这项工作为发展高机动性的刀鱼仿生机器人提供了全面框架。

研究结论部分翻译：

基于黑鬼刀鱼，本文介绍了仿生机器鱼Naiad，它通过波动臀鳍推进和柔性躯体增强了运动性能。该机器人展示了多种运动能力，包括前进/后退游泳、转向和垂直移动。研究人员进行了广泛的机器人实验，以研究机器鱼在不同运动状态下的运动表现，并分析了不同推进波参数和躯体曲率β对其直线游动、转向和垂直上升性能的影响。实验结果显示，其直线速度为17.21 cm/s（0.20 BL/s），最小运输成本（COT）为3.42，最大转向速率为23.67°/s（0.41 rad/s），最小转弯半径为0.26 m（0.31 BL），这表明其具有高能效和卓越的机动性。此外，该机器人还实现了3.80 cm/s的垂直上升速度。一个简化的无缆原型机在充满障碍物的水槽中成功进行了测试，证实了其在复杂水下环境中导航的能力。此外，还在天然湖泊环境中进行了现场测试，以展示机器人进行现实世界探索的能力。这项工作为提高水下机器人在密闭空间内的灵活性和适应性提供了一个可行的解决方案。Naiad出色的敏捷性、运动效率和三维机动性使其在复杂浅海环境的探索应用中极具前景。