《Sensors and Actuators A: Physical》：Bull shark-inspired robotic fish enabled by synergistic variable-stiffness mechanism, fluidic propulsion, and autonomous control
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•提出了一种用于气动执行器的多层变刚度结构，通过小的结构改动显著提高了变形效率。•为气动执行器设计了一种类似脊柱的外部结构，通过一系列凸起的脊柱结构有效减少了由重力引起的变形冗余。•受到公牛鲨的身体结构和运动方式的启发，设计了一种水下机器人，使其能够在水下实现灵活的运动姿势，并具
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提出了一种用于气动执行器的多层变刚度结构，通过小的结构改动显著提高了变形效率。
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为气动执行器设计了一种类似脊柱的外部结构，通过一系列凸起的脊柱结构有效减少了由重力引起的变形冗余。
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受到公牛鲨的身体结构和运动方式的启发，设计了一种水下机器人，使其能够在水下实现灵活的运动姿势，并具有自主运动和实时监测的能力。
引言
海洋覆盖了地球表面大约71%的面积，是地球上资源最丰富的生态系统之一，蕴藏着丰富的自然资源。深海区域可能含有尚未发现的潜在资源，有待探索[1]。随着技术和产业的进步，对水下资源开采、海洋监测、海底设施维护和生态保护的需求日益增长。这推动了水下机器人技术向更高性能和更广泛应用的发展。特别是，水下机器人已成为深海勘探、生态调查和资源勘探等领域不可或缺的核心工具[2]，[3]，[4]。
传统的刚性水下机器人（如AUVs[5]，[6]，[7]和ROVs[8]，[9]）由于其刚性外壳和较大体积，在复杂的水下环境中适应性有限，难以在狭窄空间内操作。此外，它们的刚性结构可能对海洋生物造成伤害，破坏生态平衡。传统的推进系统（如螺旋桨和水射流）虽然能提供高效的推力，但会产生显著的干扰，从而影响水生生物的栖息地和监测的准确性。软体机器人的出现为水下机器人技术提供了新的解决方案。与传统的刚性机器人相比，软体机器人具有更高的环境适应能力，并能在复杂环境中实现灵活变形。软体机器人利用多种驱动方法（如流体[10]，[11]，[12]，[13]，[14]，[15]，[16]，[17]，磁场[18]，[19]，[20]，[21]，[22]和光[23]，[24]，[25]）来改变动态形状，使其能够更精确 and 更高效地执行任务。水下软体机器人已经进入研究和应用的各个阶段，显示出广泛的潜力和多样的功能[26]，[27]。在这些驱动方法中，流体驱动由于能够提供高灵活性和快速响应性，已成为软体机器人中最广泛使用的方法。2018年，Robert K等人结合流体驱动和微声通信模块设计了一种刚柔耦合的机器人鱼。其独特的软执行器使尾部能够展示现实的波动游动模式，并在水下18米的深度实现人机交互[28]。2025年，Li等人利用静电场控制介电液体的有序流动，将静电力转化为软液压单元的驱动力。他们还集成了一种微型深海光学传感系统，使软体机器人能够在极端深海条件下实时监测自身的运动和环境目标。该系统在大约4070米深的深海区域进行了测试，探索了深海潜水器与小型深海软体机器人之间的协作操作。这项研究证明了大规模、低干扰深海探索的可行性[29]。
然而，尽管流体驱动的软体机器人具有巨大潜力，但在实际应用中仍存在一些挑战。Liu等人采用了一种受肌肉启发的液压软执行器，通过伺服驱动的双缸柱塞泵向软执行器两侧的驱动单元提供交替压力。他们设计了一种仿生软金枪鱼机器人（HasorTuna），可以达到每秒0.84个身体长度的游泳速度。然而，它需要300 kPa的驱动压力，且只能执行基本动作[30]。Chi等人巧妙地利用双稳态结构设计了一种模仿人类蝴蝶扑动动作的低频、轻量级软体机器人，平均速度可达每秒3.74个身体长度。该机器人展示了出色的运动能力，但它依赖于外部驱动源，执行器变形稳定性较差，只能实现基本的仿生动作[31]。目前关于流体执行器的研究主要集中在探索不同执行器的变形行为上，常常忽略了驱动效率、稳定性和功能性等关键问题。因此，一些软体机器人的能量利用效率较低，且存在不必要的变形冗余。此外，许多软体机器人为了在特定场景中实现合规性，通常依赖于外部驱动源来模仿自然生物的运动模式。虽然这种设计具有一些仿生特性，但其实际功能相对较差。此外，它未能集成完整的驱动和传感系统，这限制了其在复杂任务中的应用潜力。
本研究提出了一种流体驱动的刚柔耦合机器人（AeroFish），如图1所示。此后，“AeroFish”一词将用于指代这种机器人。该设计灵感来自公牛鲨的流线型身体和强大的推进力，以及其在复杂水下环境中的敏捷性。这使得机器人能够高效应对各种水下挑战。对于AeroFish的软鱼尾，我们基于传统的气动执行器进行了改进和优化。采用了纺锤形的外部设计，并引入了多层变刚度和外部脊柱结构。这种独特的设计不仅使气动执行器更好地适应鱼尾的运动姿势，提高了驱动效率，还在重力影响下有效减少了变形冗余。因此，显著提高了整体运行效率和稳定性。同时，AeroFish集成了传感和通信系统，实现了无线控制、自主运动和环境监测。这使它能够在水下环境中独立执行任务并提供决策支持，使其成为一种智能、高效和多用途的水下机器人。
章节摘录
AeroFish的仿生设计
AeroFish的设计灵感来自公牛鲨，这种鱼类以其出色的适应性、爆发力和在复杂水环境中的机动性而闻名（图1a）。我们模仿了它的流线型身体轮廓和高效的尾部推进机制，设计了AeroFish，这是一种集成仿生驱动、内置能源系统、智能控制和多模态传感的机器人。
如图1(b)所示，AeroFish由两个主要部件组成：一个3D打印的刚性骨架
变刚度气动执行器的设计与优化
目前，关于气动执行器的研究主要集中在腔室结构和变形行为上，如人工肌肉、传统气动网格和蜂窝网格。这些结构通常具有均匀分布和几何形状。然而，观察自然界的生物（如章鱼触手、人类手指和大象鼻子）时，它们的移动性远超常规结构所提供的灵活性。
进一步讨论
实验结果表明，气动执行器的变刚度设计和外部脊柱加固结构在水下应用中展现出巨大潜力。多层变刚度结构有效调节了执行器的变形行为，模拟了鱼类的尾部运动，从而提高了驱动效率。外部脊柱结构减少了重力引起的变形冗余，并增强了尾部运动的稳定性。
出版同意
所有作者同意将本文提交给《仿生工程杂志》发表，并遵守该杂志的版权和出版政策。
资金来源
本研究获得了国家自然科学基金（编号52275290和51905222）、仿生工程重点实验室开放项目（教育部）、吉林大学（编号KF2023006）和上海柔性医疗机器人重点实验室（资助编号sklfmr-101）的财政支持。
CRediT作者贡献声明
张中强：资源提供。张帆：资源提供。张立芝：写作——原始草稿。叶轩：写作——原始草稿。丁金鑫：写作——原始草稿。徐琳：写作——审阅与编辑、项目管理、资金获取。丁建宁：监督、资源提供。
徐琳：我是江苏大学机械工程专业的教授和博士生导师。我的研究集中在柔性传感和驱动领域。我在这一领域发表了大量论文，包括在《先进功能材料》、《软体机器人》和《ACS》等期刊上的第一/通讯作者论文。我还参与了《科学机器人》等期刊的协同出版。
Jinxin Ding|Xuan Ye|Lizhi Zhang|Fan Zhang|Zhongqiang Zhang|Lin Xu|Jianning Ding
