面向全海深探索的低电压V形压电驱动无耐压舱微型水下机器人

《Journal of Ocean Engineering and Science》：A V-shaped Piezoelectric Actuating Underwater Robot for Deepsea Exploration

　　

针对全海深探索驱动系统对高耐压、微型化和高机动性的迫切需求，本研究提出并验证了一种由V形压电作动器（piezoelectric actuator）驱动的水下机器人。首先，描述机器人的结构设计与工作原理。随后，采用湿模态分析（wet modal analysis）、谐响应分析（harmonic response analysis）和规定运动计算流体动力学（prescribed-motion CFD）仿真，阐明作动器的动态特性与推进机制。通过激光多普勒测振仪（laser Doppler vibrometer, LDV）实验验证预测动态响应的准确性。性能测试表明，在200 Hz/35 V_p-p驱动条件下，作动器产生24 mN的稳定推力，实现79.7 mm/s的直线运动，并提供33.7 mm的最小转弯半径。最后，在110 MPa极端静水压（hydrostatic pressure）下，基于测得的15.3%角速度降低和环境压力下获得的二次标定曲线（quadratic calibration curve），估计作动器的自由游动速度下降约7.9%。本研究为开发兼具低电压推进、高机动性和无耐压舱（absence of a pressure-resistant chamber）特征的微型深海机器人提出了一种有效技术方案。

研究背景与问题方面，海洋蕴含能源、矿产和生物资源，并具有资源勘探与环境监测等战略价值，但深海及狭窄敏感水域的水下探测面临显著挑战。传统螺旋桨驱动水下机器人通常存在噪声高、流体扰动大和机动性不足等问题，难以在生态脆弱环境中精确作业；其结构依赖耐压壳体，在高压环境下既带来安全风险，也限制载荷能力和操作灵活性。仿生推进提供了技术路径，其中中鳍/对鳍推进模式（median and paired fin, MPF）在低速、精细观察和受限空间作业中具有优势。现有电磁电机驱动MPF机器人虽已取得进展，但高压下密封失效、传动机构复杂、效率低和响应慢等限制仍阻碍深海应用。智能材料驱动方面，介电弹性体（DE）驱动电压高且深海高压下弹性模量增加、能量耗散增大；离子聚合物-金属复合材料（IPMC）驱动电压低但推力仅约0.4 mN；形状记忆合金（SMA）存在热滞后、相变疲劳及低温高压下动态响应下降；压电材料（PZT）具有响应快、力密度高和结构紧凑等优势，但传统PZT驱动机器人驱动电压常达300—707 V_p-p，且低应变与高电压之间存在权衡。因此，现有智能材料驱动方案仍在驱动力、应变、响应速度、驱动电压和环境适应性之间权衡，需要创新集成驱动与结构方案。

研究人员提出并验证了一种将V形压电作动器（piezoelectric actuator，利用逆压电效应将电能转化为机械振动的驱动单元）与MPF推进原理结合的全开放水下机器人。其“全开放”指作动器直接暴露于水环境而无刚性壳体，电池、控制电路和通信模块仅由柔性硅胶封装保护，不含密封内部腔体。机器人上部为圆形平台，下部为V形压电作动器，浮心高于质心以实现被动稳定；作动器由压电双晶片（piezoelectric bimorph，两侧压电陶瓷贴附于金属基板形成的弯曲驱动元件）、柔性胸鳍和V形关节组成。通过双晶片同相驱动实现前进，通过单侧驱动或两侧差幅驱动产生偏航力矩实现转向。该研究通过仿真与实验验证其动态特性、推进机制、运动性能和110 MPa静水压下的适应能力，为微型深海机器人提供低电压推进、高机动性和无耐压舱的技术方案。

关键技术方法方面，研究人员建立声-结构耦合模型开展湿模态分析（wet modal analysis，考虑水介质附加质量与阻尼的模态分析）和谐响应分析（harmonic response analysis，计算简谐激励下稳态响应的分析方法）；在MATLAB中拟合胸鳍时域运动函数，并在Fluent中以规定运动计算流体动力学（computational fluid dynamics, CFD）仿真评估推力与流场；采用激光多普勒测振仪（laser Doppler vibrometer, LDV）验证动态响应；开展推力、直线速度和转向性能测试；构建多级增压泵和耐压相机组成的高静水压试验系统，以3个独立组装的作动器原型测试，每个原型同一压力协议重复3次，升压速率5 MPa/min，每级保压10 min，完成0—110 MPa升降压并于10 MPa间隔记录；本研究无外部样本队列来源。

研究结果如下。2. 结构设计与工作原理：2.1 结构设计通过圆平台容纳浮力材料、传感器和控制单元，平台边缘小孔注入水与玻璃微球混合物调节浮力与平衡；V形关节角为150°，压电双晶片采用PZT-5压电陶瓷，胸鳍为前圆后尖的三角形柔性结构，关节与平台采用卡扣连接并辅以3M固体胶隔振。2.2 工作原理表明，逆压电效应使双晶片弯曲振动，接近共振时放大胸鳍位移并向流体周期注入动量；同相激励两侧时产生对称涡和净推力，单侧或差幅激励时产生偏航力矩和可调转弯半径；V形关节与胸鳍柔性诱导弯曲-扭转耦合，在尾缘形成斜向射流。3. 多物理场仿真：3.1 湿模态与谐响应分析通过声-结构耦合模型在0—1 kHz内计算至15阶，得到水下弯曲模态与设计预期一致，并揭示V形关节约束将双晶片面内弯曲转化为柔性胸鳍面外扭转；对V形关节单臂长度L₃在10—20 mm、步长2 mm内参数化仿真，以CFD平均推力为评价指标，得出L₃=18 mm时最大平均推力为23.47 mN。3.2 CFD仿真与分析通过拟合胸鳍周期运动函数并施加为运动边界，发现胸鳍上下表面压力差形成推进力，高速区集中于胸鳍内侧，射流集中且动量传递局部化，说明推力产生机制源于结构设计而非波传播。4. 实验验证与特性测试：4.1 原型输出特性通过LDV测试得到水下弯曲共振频率为290.5 Hz，与湿模态仿真相对误差3.17%，实验与仿真模态一致，验证了模型对物理设计的指导价值。4.2 原型运动特性通过扫频确定最优推进频率为200 Hz，35 V_p-p下最大直线速度为79.7±2.5 mm/s，速度与电压近似线性；正向和反向最小转弯半径分别为37.4±6.6 mm和33.7±6.3 mm，最大角速度分别为130.1±19.6°/s和138.3±18.0°/s；推力在200 Hz附近峰值达24±0.6 mN，并实现准连续动量注入；相同驱动电压扫频比较中V形配置优于线性配置；最大效率为0.245%，为机电到推进转换效率上界；附加5 kg负载及5070.9 cm3浮力材料实现近中性浮力后，平均速度15 mm/s，较最大速度下降约81%；户外演示中样机可直线、近原位转向和 tight-radius 转向，锦鲤未见避让。4.3 110 MPa静水压验证中，由于传感器应变失真和压力舱体积限制，未直接测推力或前向速度，而用旋转平台角速度表征推进能力；110 MPa下正向和反向角速度分别为60°/s和62°/s，此前环境压最大值为76.8±1.4°/s和77.3±0.8°/s，全压力范围角速度波动比不超过24.8%，卸压后角速度在试验前5%以内；环境压下建立角速度与自由游动速度的二次标定关系v=-0.0075ω²+1.6118ω+2.4617（R²=0.9649），据此15.3%角速度降低对应自由游动速度约降低7.9%，并被视为推进性能退化的上界估计；5°C与20°C下性能差异较小；硅胶封装电子系统的耐压性由前期工作和本研究中110 MPa后通信模块功能检查支持；讨论指出LoRa无线模块不适合全海深水通信、电池长期高压低温耐久未测、控制依赖预编程与无线触发、长期弯曲疲劳可靠性尚待评估。4.4 与现有工作性能比较表明，机器人总质量296.1 g，作动器仅9.4 g，尺寸183 mm×58.6 mm×56.9 mm，推进速度为1.36 BL/s；推力24 mN高于IPMC的0.4 mN和多数PZT机器人2.2—16.4 mN；最小转弯半径33.7 mm略大于22.1 mm，但后者依赖多作动器协同、系统复杂度和控制难度更高；样机在110 MPa静水压下保持稳定输出；35 V_p-p显著低于传统PZT驱动水下机器人300—707 V_p-p；V形配置在速度、推力和转弯半径方面优于Linear和Parallel配置。

讨论与结论部分总结指出，该研究以无耐压舱开放结构、低电压V形PZT驱动和MPF推进相结合，形成仿真与实验相互验证的设计流程，证明作动器可在110 MPa下保持周期运动，但全海深应用仍需系统级验证；未来将通过结构优化和新型压电材料提高能量转换效率与输出能力，并探索先进压电复合材料、浅海现场试验、深海适用通信与控制架构以及长期循环载荷下的疲劳寿命与可靠性评估。研究结论翻译如下：本研究针对全海深探索对高耐压、微型化和高机动性的核心需求，成功设计并验证了一种由V形压电作动器驱动的水下机器人。研究人员首先开展湿模态与湿谐响应分析及规定运动CFD仿真，以确定作动器在水下环境中的共振特性和推力产生机制。随后，作动器仿真作为设计工具用于优化共振条件下V形关节长度，而实验扫频确定实际最优工作点。结构动力学模型通过激光多普勒测振仪验证。性能测试表明，在200 Hz和35 V_p-p驱动条件下，作动器产生24 mN稳定推力。最后，高静水压测试表明作动器能够在110 MPa静水压下保持周期运动，指示其在进一步系统级验证后具有全海深运行潜力。未来工作将集中于通过结构优化和新型压电材料应用提高机器人的能量转换效率与输出能力，以推进此类机器人全海深实际应用；具体方向包括探索先进压电复合材料以改善高压性能、开展浅海现场试验以验证长期运行可靠性、开发适应深海的通信与控制架构（例如声学通信或自主导航），以及开展长期循环载荷下的系统疲劳寿命与可靠性评估。