胸鰭波動(dòng)推進(jìn)仿生機(jī)器魚研究進(jìn)展與分析

譚進(jìn)波，王揚(yáng)威，顧寶彤，趙東標(biāo)

(南京航空航天大學(xué)，南京210016)

0 引 言

隨著對(duì)海洋資源開(kāi)發(fā)利用的不斷深入，海底勘探作業(yè)、海洋生態(tài)環(huán)境考察以及海洋軍事戰(zhàn)略等領(lǐng)域?qū)ψ灾魉聶C(jī)器人(AUV)的要求越來(lái)越高。作為自主水下機(jī)器人的一個(gè)分支，仿生水下機(jī)器人隨著水動(dòng)力學(xué)、仿生學(xué)和自動(dòng)控制等學(xué)科的發(fā)展及先進(jìn)制造技術(shù)、智能材料的應(yīng)用，逐漸成為研究的熱點(diǎn)［1－3］。

仿生水下機(jī)器人是一類以水生生物為仿生原型，模仿其游動(dòng)或推進(jìn)模式而設(shè)計(jì)出的能夠?qū)崿F(xiàn)水下交互作業(yè)的機(jī)器人［4］，在眾多水生生物中，魚類因其非凡的水下運(yùn)動(dòng)能力以及游動(dòng)時(shí)高效、低噪和高機(jī)動(dòng)性的特點(diǎn)倍受各國(guó)仿生科研工作者的青睞。近幾十年來(lái)，各類性能優(yōu)異的仿生機(jī)器魚相繼問(wèn)世，大大提高了仿生水下機(jī)器人的游動(dòng)效率、機(jī)動(dòng)性和應(yīng)對(duì)水下復(fù)雜環(huán)境的能力，充分展示了其廣闊的應(yīng)用前景和潛在價(jià)值。仿生機(jī)器魚根據(jù)其仿生原型游動(dòng)方式的不同可分為兩類:身體/尾鰭(body/caudal fin，BCF)推進(jìn)模式和中央鰭/對(duì)鰭(median/paired fin，MPF)推進(jìn)模式［5］。BCF 推進(jìn)模式仿生機(jī)器魚最早問(wèn)世，經(jīng)過(guò)近二十年的研究發(fā)展，已取得眾多成果。MPF 推進(jìn)模式仿生機(jī)器魚雖然出現(xiàn)較晚，但在低速游動(dòng)下的推進(jìn)效率、機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性較BCF 模式更為出色［6］，更加適應(yīng)水下勘測(cè)和偵察作業(yè)，其中鰩科模式(Rajiform)的胸鰭波動(dòng)推進(jìn)仿生機(jī)器魚具有優(yōu)異的游動(dòng)性能，已成為仿生機(jī)器魚研究領(lǐng)域的新興熱點(diǎn)。近年來(lái)，科研人員已對(duì)胸鰭波動(dòng)推進(jìn)機(jī)理進(jìn)行了相關(guān)研究，并研制出了各類仿生機(jī)器魚。

1 胸鰭波動(dòng)推進(jìn)模式特征

采用胸鰭波動(dòng)推進(jìn)模式游動(dòng)的水生生物主要有軟骨魚綱中的鰩形目、鲼形目和烏賊等，依據(jù)對(duì)生物胸鰭波動(dòng)運(yùn)動(dòng)的游動(dòng)觀測(cè)結(jié)果和理論分析，胸鰭波動(dòng)推進(jìn)模式的游動(dòng)特征可歸納為:

(1)胸鰭圍繞在身體兩側(cè)或周圍，得益于軟骨支撐結(jié)構(gòu)或肌肉性靜水骨骼結(jié)構(gòu)，胸鰭能實(shí)現(xiàn)柔性的波動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

(2)胸鰭波動(dòng)運(yùn)動(dòng)呈近似正弦波的形式，波動(dòng)運(yùn)動(dòng)的幅度、頻率和傳播方向根據(jù)運(yùn)動(dòng)方式不同而各異，單側(cè)胸鰭上呈現(xiàn)至少一個(gè)完整的推進(jìn)波。

(3)通過(guò)雙側(cè)胸鰭的同步或異步波動(dòng)配合魚體可實(shí)現(xiàn)巡游、起/停、轉(zhuǎn)向及姿態(tài)保持等游動(dòng)動(dòng)作［7］，游動(dòng)動(dòng)作靈活，機(jī)動(dòng)性高。

(4)巡游時(shí)胸鰭波動(dòng)運(yùn)動(dòng)呈整數(shù)個(gè)波形，魚體幾乎不產(chǎn)生上下振動(dòng)，沒(méi)有尾鰭擺動(dòng)魚類的舵首擺動(dòng)問(wèn)題，游動(dòng)穩(wěn)定性好。

胸鰭波動(dòng)推進(jìn)水生生物所擁有的這些特征，使得以其為原型的仿生樣機(jī)具有推進(jìn)高效、低速穩(wěn)定和高機(jī)動(dòng)性的特點(diǎn)，同時(shí)樣機(jī)主體不參與運(yùn)動(dòng)，可以降低樣機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度，提高承載能力，還能有效避免游動(dòng)時(shí)身體擺動(dòng)導(dǎo)致的形滯阻力［8］。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 胸鰭波動(dòng)推進(jìn)機(jī)理研究現(xiàn)狀

胸鰭的柔性波動(dòng)運(yùn)動(dòng)是游動(dòng)動(dòng)力的主要來(lái)源，對(duì)其推進(jìn)機(jī)理的研究不僅可以揭示此種游動(dòng)模式高效、高機(jī)動(dòng)的流體力學(xué)機(jī)制，還能為仿生機(jī)器魚的研制提供簡(jiǎn)化的生物學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)模型。推進(jìn)機(jī)理研究主要有理論研究、實(shí)驗(yàn)觀測(cè)研究和數(shù)值模擬與仿真三種方法。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)魚類推進(jìn)理論開(kāi)展了大量的研究工作，目前已發(fā)展成熟的波動(dòng)推進(jìn)理論根據(jù)其選取的主要作用力的不同可分為僅適用于微小水生生物游動(dòng)時(shí)低雷諾數(shù)情況下的抗力理論和適用于魚類游動(dòng)時(shí)高雷諾數(shù)情況下的作動(dòng)盤理論、細(xì)長(zhǎng)體理論及波動(dòng)板理論，以上推進(jìn)理論主要用于BCF 推進(jìn)模式的運(yùn)動(dòng)分析。鰭波動(dòng)推進(jìn)模式的理論研究起步較晚，但隨著近年來(lái)重視程度的提高，其研究進(jìn)展迅速。Daniel 通過(guò)應(yīng)用非定常翼型理論和葉片元理論對(duì)鰩科模式水動(dòng)力特性進(jìn)行研究，分析了鰭形狀和波動(dòng)參數(shù)對(duì)推進(jìn)性能的影響［9］。Lighthill 與Blake 應(yīng)用由細(xì)長(zhǎng)體理論(EBT)擴(kuò)展而來(lái)的大擺幅細(xì)長(zhǎng)體理論研究了鱗鲀科模式(Balistiform)和裸背鰻科模式(Gymnotiform)魚類柔性長(zhǎng)鰭波動(dòng)的推進(jìn)性能，試圖揭示波動(dòng)鰭與魚體之間的相互耦合作用對(duì)推進(jìn)性能的影響［10］。Rahman 等建立了雙波動(dòng)鰭仿生機(jī)器魚模型的六自由度運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，基于對(duì)模型試驗(yàn)與CFD(Computational fluid dynamics)計(jì)算的準(zhǔn)定常假設(shè)，得到了模型運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的流體力和力矩的表達(dá)式［11］。國(guó)內(nèi)的章永華等對(duì)仿生機(jī)器藍(lán)點(diǎn)魟的胸鰭進(jìn)行建模，得到了鰭條擺動(dòng)和鰭面波動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程并計(jì)算了受到的流體阻力和蒙皮彈性變形阻力，最后采用大擺幅細(xì)長(zhǎng)體理論得到了單位長(zhǎng)度的鰭面在一定時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的平均推力［12］。中科院自動(dòng)化研究所魏清平等對(duì)胸鰭模型的運(yùn)動(dòng)提出三點(diǎn)假設(shè)，從而得到了一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)胸鰭波動(dòng)產(chǎn)生的平均推力的解析表達(dá)式，分析表明波動(dòng)推進(jìn)力的大小與胸鰭的擺動(dòng)頻率、幅度及波長(zhǎng)、波數(shù)有關(guān)［13］。

實(shí)驗(yàn)觀測(cè)研究是分析胸鰭波動(dòng)推進(jìn)機(jī)理最為直接的手段，分為仿生原型的觀測(cè)研究和仿生樣機(jī)的水下試驗(yàn)研究。仿生原型的觀測(cè)研究主要通過(guò)高速攝影、肌電圖(EMG)和數(shù)字式粒子圖像測(cè)速(DPIV)等技術(shù)對(duì)仿生對(duì)象的形態(tài)學(xué)、生理學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，研究這些參數(shù)與波動(dòng)推進(jìn)性能之間的關(guān)系。1999 年，Rosenberger 等采用攝影技術(shù)和EMG 技術(shù)對(duì)不同游動(dòng)速度下藍(lán)點(diǎn)魟的胸鰭運(yùn)動(dòng)模式和胸鰭肌肉驅(qū)動(dòng)模式進(jìn)行研究，研究表明胸鰭的波動(dòng)運(yùn)動(dòng)是由背部和腹部肌肉交替活動(dòng)產(chǎn)生;隨著藍(lán)點(diǎn)魟?dòng)嗡俚脑龃?，胸鰭波?dòng)頻率、波速、波長(zhǎng)及胸鰭肌肉活動(dòng)的占空比均增加，而波幅和肌肉活動(dòng)持續(xù)時(shí)間保持不變［14］。Blevins 和Lauder 通過(guò)三臺(tái)高速攝像機(jī)獲取淡水魟魚在不同游速下胸鰭波動(dòng)曲面的精確數(shù)據(jù)，首次對(duì)魟魚波動(dòng)胸鰭進(jìn)行了三維運(yùn)動(dòng)分析，分析顯示淡水魟魚的游速主要由胸鰭波動(dòng)頻率和波速?zèng)Q定，波幅只起到次要作用［15］。隨后他們又使用DPIV 技術(shù)研究了地面效應(yīng)對(duì)波動(dòng)鰭推進(jìn)性能的影響［16］。仿生樣機(jī)的水下試驗(yàn)研究是通過(guò)測(cè)試平臺(tái)對(duì)樣機(jī)的水下游動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，分析胸鰭波動(dòng)參數(shù)對(duì)推進(jìn)性能的影響。荷蘭代爾伏特理工大學(xué)的研究小組為研究胸鰭擺幅、頻率和波數(shù)對(duì)推進(jìn)力的影響，對(duì)仿生胸鰭模型進(jìn)行了水下推進(jìn)測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果顯示推進(jìn)力隨波幅、波頻的增加而顯著增加，而隨波數(shù)增加的趨勢(shì)不明顯［17］。章永華等對(duì)仿生藍(lán)點(diǎn)魟胸鰭模型進(jìn)行了試驗(yàn)，分析在波幅逐漸增大和等波幅兩種胸鰭波動(dòng)模式下，擺動(dòng)頻率、幅度和波長(zhǎng)的變化對(duì)推進(jìn)力的影響，并對(duì)兩種波動(dòng)模式的推進(jìn)性能進(jìn)行了比較［18］。魏清平等對(duì)雙波動(dòng)鰭仿生機(jī)器魚樣機(jī)進(jìn)行了單側(cè)胸鰭的推力試驗(yàn)和整體樣機(jī)的游動(dòng)試驗(yàn)，測(cè)量了直線游動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)角速度隨波動(dòng)頻率的變化，同時(shí)結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)和水動(dòng)力學(xué)模型分析了波動(dòng)參數(shù)與游動(dòng)性能之間的關(guān)系［13］。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)值計(jì)算方法和流體仿真軟件的成熟，計(jì)算流體力學(xué)(CFD)得到了廣泛的應(yīng)用，CFD 數(shù)值模擬與仿真也成為研究魚類游動(dòng)水動(dòng)力學(xué)的有效方法。通過(guò)對(duì)胸鰭波動(dòng)的流場(chǎng)控制方程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，獲取流場(chǎng)內(nèi)各個(gè)位置上基本物理量(如速度、壓力等)和渦流的分布特性，確定這些量隨時(shí)間的變化情況，可以幫助揭示胸鰭波動(dòng)推進(jìn)模式的水動(dòng)力學(xué)機(jī)制［19］。日本大阪大學(xué)的研究小組一直致力于使用CFD 方法研究仿生波動(dòng)鰭的流體動(dòng)力學(xué)，他們通過(guò)對(duì)雙波動(dòng)鰭仿生樣機(jī)胸鰭周圍的流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值分析，建立起波動(dòng)側(cè)鰭的主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)與水動(dòng)力之間的簡(jiǎn)單關(guān)系，其分析結(jié)果與樣機(jī)的試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果一致［20］。章永華等對(duì)仿生波動(dòng)胸鰭模型進(jìn)行了大量的數(shù)值研究，他們分別對(duì)不同運(yùn)動(dòng)參數(shù)、波動(dòng)模式和鰭面形狀下的波動(dòng)鰭進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析它們對(duì)推進(jìn)性能的影響，還研究了波動(dòng)過(guò)程中的流場(chǎng)特性和尾跡渦結(jié)構(gòu)，試圖從渦動(dòng)力學(xué)角度分析推力產(chǎn)生的機(jī)理［7，18，21］。陳維山等利用Fluent 軟件仿真實(shí)現(xiàn)了仿鰩魚機(jī)器人的自主游動(dòng)，研究了鰩魚游動(dòng)時(shí)與周圍流場(chǎng)的相互作用并定量分析了波動(dòng)參數(shù)對(duì)游動(dòng)性能的影響［22］。

2.2 胸鰭波動(dòng)推進(jìn)仿生機(jī)器魚樣機(jī)研制現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外胸鰭波動(dòng)推進(jìn)仿生機(jī)器魚的研制雖然起步較晚，但隨著對(duì)胸鰭波動(dòng)推進(jìn)機(jī)理的逐步探索以及仿生技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)和控制技術(shù)的成熟，仿生機(jī)器魚樣機(jī)的研制已取得眾多成果。

2002 年，加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)的研究小組對(duì)鰩科模式(Rajiform)在水下推進(jìn)器領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了初步探索和嘗試。他們以小尾燕魟為原型研制了仿生胸鰭模型［23］，如圖1(a)所示。仿生胸鰭使用形狀記憶合金(Shape memory alloy，SMA)絲作為鰭面的線性驅(qū)動(dòng)器，能夠產(chǎn)生期望的靜態(tài)波形，但由于SMA 絲的安裝等問(wèn)題，難以獲得理想的動(dòng)態(tài)變形，胸鰭模型的游動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果顯示其無(wú)法產(chǎn)生足夠?qū)崿F(xiàn)自驅(qū)動(dòng)的推進(jìn)力。

日本大阪大學(xué)的研究人員為研究環(huán)境擾動(dòng)小、推進(jìn)效率高的AUV，先后研制了四代仿烏賊雙波動(dòng)鰭水下機(jī)器人，目前用于試驗(yàn)的是2009 年研制的第四代樣機(jī)［11，24］，如圖1(b)所示。第四代仿生樣機(jī)的側(cè)鰭由17 個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)伺服控制器控制胸鰭的波動(dòng)運(yùn)動(dòng)，樣機(jī)能產(chǎn)生6 自由度運(yùn)動(dòng)，可自由航行和偏轉(zhuǎn)且對(duì)流體的擾動(dòng)很小。通過(guò)采用無(wú)線局域網(wǎng)通信技術(shù)和三向重力中心調(diào)整系統(tǒng)，解決了前一代樣機(jī)通訊距離短及垂直重力中心調(diào)整存在局限的問(wèn)題，增加了運(yùn)動(dòng)范圍，提升了游動(dòng)靈活性。

圖1 加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)和日本大阪大學(xué)研制的仿生機(jī)器魚樣機(jī)

2005 年，新加坡南洋理工大學(xué)K. H. Low 等人采用模塊化的概念研制了一款雙鰭波動(dòng)仿生機(jī)器魚［25］，如圖2(a)所示。其單側(cè)胸鰭可分為10 個(gè)鰭單元，每個(gè)鰭單元采用一臺(tái)伺服電機(jī)在鰭條基部產(chǎn)生一個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)，連接于其上的曲柄作為鰭條，相鄰鰭單元之間由柔性鰭膜通過(guò)滑塊連接。通過(guò)控制伺服電機(jī)，使相鄰的鰭條按一定的相位差擺動(dòng)，從而在仿生胸鰭上產(chǎn)生不同波速、波幅及波數(shù)的類正弦波波形，水箱試驗(yàn)顯示樣機(jī)能實(shí)現(xiàn)20 cm/s 的最大游速。

日本名古屋大學(xué)的研究人員于2006 年研制了一款采用人工肌肉IPMC (Ionic polymer－metal composite)作為驅(qū)動(dòng)器的仿鰩科模式機(jī)器魚［26］，如圖2(b)所示。機(jī)器魚的主體采用塑料泡沫制作，內(nèi)置控制器、放大器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器和鋰電池。單側(cè)胸鰭由8 根IPMC 和一層聚乙烯薄膜組成，鰭長(zhǎng)75 mm，寬45 mm。通過(guò)在不同的控制參數(shù)下對(duì)胸鰭進(jìn)行游動(dòng)試驗(yàn)，測(cè)得其最大推進(jìn)速度為18.1 mm/s。

圖2 新加坡南洋理工大學(xué)和日本名古屋大學(xué)研制仿生機(jī)器魚樣機(jī)

荷蘭代爾伏特理工大學(xué)的研究小組于2009 年研制出了胸鰭波動(dòng)仿生水下機(jī)器人Galatea［17］，如圖3(a)所示。Galatea 的殼體基于Wortmann FX 71－L－150/20 翼型設(shè)計(jì)，兩側(cè)各裝有17 個(gè)伺服電機(jī)，通過(guò)帶動(dòng)鰭條擺動(dòng)形成推進(jìn)波，結(jié)合安裝于機(jī)體尾部?jī)蓧K副翼的上下擺動(dòng)，Galatea 可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、俯仰、回轉(zhuǎn)、繞垂直軸偏轉(zhuǎn)及懸停等機(jī)動(dòng)動(dòng)作。

2010 年，麻省理工學(xué)院(MIT)研制了擁有柔性機(jī)體的仿魟魚水下機(jī)器人［27］，如圖3(b)所示。通過(guò)參數(shù)化魟魚的運(yùn)動(dòng)，提出簡(jiǎn)化的胸鰭驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方法:胸鰭采用柔性材料制作，僅在其前端對(duì)稱安裝兩根鰭條并由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，身體中央安裝用于控制沉浮的浮力箱。兩款樣機(jī)外形均模仿魟魚，體長(zhǎng)為0.225 m，圖3(b)中左側(cè)樣機(jī)的胸鰭采用單一的硅橡膠制作，右側(cè)的則由兩種不同的硅橡膠制成。游動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果顯示右側(cè)樣機(jī)的游動(dòng)性能更好，在胸鰭擺動(dòng)頻率為2.5 Hz 時(shí)，最大游速能達(dá)到0.37 BL/s(每秒游過(guò)的體長(zhǎng)倍數(shù))。

圖3 荷蘭代爾伏特理工大學(xué)和麻省理工學(xué)院研制的仿生機(jī)器魚樣機(jī)

國(guó)內(nèi)也相繼研制出多種胸鰭波動(dòng)推進(jìn)仿生機(jī)器魚樣機(jī)。2009 年，中科院自動(dòng)化研究所研制了一臺(tái)雙波動(dòng)鰭推進(jìn)仿生機(jī)器魚［13，28］，如圖4(a)所示。雙側(cè)胸鰭由均布的10 根鰭條和彈性薄膜組成，驅(qū)動(dòng)器采用伺服電機(jī)，控制系統(tǒng)基于FPGA。通過(guò)對(duì)機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了樣機(jī)不同的游動(dòng)動(dòng)作。水池試驗(yàn)顯示其能完成前進(jìn)、后退、旋轉(zhuǎn)和側(cè)向游動(dòng)四種基本動(dòng)作，當(dāng)鰭條擺動(dòng)頻率為2.2 Hz時(shí)，最大游速能達(dá)到0.37 m/s。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)章永華等人基于仿生對(duì)象藍(lán)點(diǎn)魟的形態(tài)學(xué)、生理學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)特征研制了仿生機(jī)器藍(lán)點(diǎn)魟［7，12］如圖4(b)所示。仿生藍(lán)點(diǎn)魟?dòng)? 對(duì)模塊化的鰭條單元、固定底板、安裝盒和重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。對(duì)仿生藍(lán)點(diǎn)魟的機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性游動(dòng)試驗(yàn)表明其轉(zhuǎn)彎半徑很小，機(jī)動(dòng)性高;游動(dòng)的旋轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角波動(dòng)不大，穩(wěn)定性好。

圖4 中科院自動(dòng)化研究所和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的仿生機(jī)器魚樣機(jī)

2008 年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)王振龍等人研制了仿烏賊鰭水下推進(jìn)器［29］，如圖5(a)所示。仿生推進(jìn)器采用由5 對(duì)SMA 絲驅(qū)動(dòng)的柔性鰭單元模擬烏賊胸鰭的肌肉性靜水骨骼結(jié)構(gòu)。游動(dòng)試驗(yàn)顯示胸鰭能夠?qū)崿F(xiàn)柔性的動(dòng)作，最大游速達(dá)到了40 mm/s，最大轉(zhuǎn)向速度能達(dá)到22 (°)/s。隨后又研制了一款采用鰭波動(dòng)推進(jìn)和噴射推進(jìn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)方式的仿生墨魚水下機(jī)器人［30－31］，如圖5(b)所示。其波動(dòng)胸鰭同樣采用SMA 絲驅(qū)動(dòng)，噴射推進(jìn)則由仿生外套膜的柔性擴(kuò)張和收縮實(shí)現(xiàn)。游動(dòng)試驗(yàn)顯示樣機(jī)能實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退和原地轉(zhuǎn)彎等機(jī)動(dòng)性動(dòng)作，鰭波動(dòng)推進(jìn)的最高游速可達(dá)25 mm/s，旋轉(zhuǎn)游動(dòng)速度可達(dá)9 (°)/s;噴射推進(jìn)的最大速度能達(dá)到35 mm/s。

圖5 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的仿生機(jī)器魚樣機(jī)

3 胸鰭波動(dòng)推進(jìn)仿生機(jī)器魚研究的關(guān)鍵技術(shù)

(1)胸鰭波動(dòng)推進(jìn)機(jī)理研究

胸鰭波動(dòng)推進(jìn)機(jī)理的研究能夠揭示其高效高機(jī)動(dòng)的流體動(dòng)力學(xué)機(jī)制，為仿生機(jī)器魚的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。胸鰭波動(dòng)推進(jìn)理論在對(duì)波動(dòng)游動(dòng)過(guò)程做出假設(shè)的基礎(chǔ)上建立波動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和水動(dòng)力學(xué)模型，可用于分析波動(dòng)運(yùn)動(dòng)與流體力之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)研究不僅能分析胸鰭生理學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)等參數(shù)對(duì)波動(dòng)推進(jìn)性能的影響，還能為理論推導(dǎo)結(jié)果提供驗(yàn)證，為仿生機(jī)器魚樣機(jī)的設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。CFD 數(shù)值模擬與仿真技術(shù)可以揭示波動(dòng)運(yùn)動(dòng)的流場(chǎng)特性和尾跡渦街的分布情況，也能對(duì)仿生機(jī)器魚樣機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。以上三種研究方法均有各自的優(yōu)點(diǎn)，因此，通過(guò)將這三種方法巧妙地結(jié)合，系統(tǒng)地開(kāi)展胸鰭波動(dòng)推進(jìn)機(jī)理的研究，能夠起到相互補(bǔ)充、相互驗(yàn)證的作用，為胸鰭波動(dòng)推進(jìn)仿生機(jī)器魚的研制提供指導(dǎo)。

(2)仿生柔性胸鰭及機(jī)器魚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，胸鰭波動(dòng)推進(jìn)仿生機(jī)器魚胸鰭的設(shè)計(jì)主要基于“結(jié)構(gòu)仿生”思想，大多采用剛性骨架和柔性鰭膜模擬仿生原型胸鰭的組成，但仿生胸鰭的剛性結(jié)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)鰭面的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)變形，胸鰭波動(dòng)動(dòng)作的柔性及推進(jìn)性能與仿生原型仍有一定差距。因此，合理選擇仿生胸鰭鰭條的數(shù)量、材料、長(zhǎng)度、沿機(jī)體的分布以及鰭膜的材料和形狀，可以有效提升胸鰭波動(dòng)柔性及樣機(jī)整體的游動(dòng)性能。

胸鰭波動(dòng)仿生機(jī)器魚的主體設(shè)計(jì)包括主體外形設(shè)計(jì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。流線型的主體能夠極大提升機(jī)器魚水下游動(dòng)性能，提高游動(dòng)速度;合理的機(jī)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以提高機(jī)器魚的防水耐壓性能，增加載重量，因此，利用流體仿真軟件對(duì)仿生機(jī)器魚外形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以及對(duì)樣機(jī)內(nèi)部進(jìn)行合理布置是胸鰭波動(dòng)仿生機(jī)器魚能夠?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。

(3)多游動(dòng)模式融合推進(jìn)技術(shù)

已研制的胸鰭波動(dòng)仿生機(jī)器魚具有較高的機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性，但樣機(jī)整體的推進(jìn)速度較低。因此，通過(guò)采用多游動(dòng)模式融合推進(jìn)技術(shù)，在胸鰭波動(dòng)推進(jìn)的基礎(chǔ)上融合尾鰭或噴射等推進(jìn)技術(shù)，合理地配置各個(gè)推進(jìn)技術(shù)的使用，可以使機(jī)器魚兼具機(jī)動(dòng)性與快速性。研究不同推進(jìn)模式之間的耦合作用，將為兼具高速、高效、高機(jī)動(dòng)性的多游動(dòng)模式融合推進(jìn)技術(shù)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

(4)驅(qū)動(dòng)及控制技術(shù)

現(xiàn)有的胸鰭波動(dòng)仿生機(jī)器魚多采用機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以伺服電機(jī)作為鰭條驅(qū)動(dòng)器，但傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，效率低、噪聲大，而使用智能材料作為胸鰭驅(qū)動(dòng)器可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提升動(dòng)作柔性，是未來(lái)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展方向。良好的運(yùn)動(dòng)控制是仿生機(jī)器魚進(jìn)行水下作業(yè)的前提和保障，面對(duì)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)的水下環(huán)境，機(jī)器魚必須能夠及時(shí)改變波動(dòng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，調(diào)整姿態(tài)，躲避障礙物。通過(guò)采用先進(jìn)的仿生控制技術(shù)如CPG(Central pattern generator)生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)胸鰭的節(jié)律運(yùn)動(dòng)，同時(shí)結(jié)合外部反饋信息對(duì)機(jī)器魚的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，具有比傳統(tǒng)控制方法更好的柔性、實(shí)時(shí)性和適應(yīng)性。

(5)電源供給與通訊技術(shù)

電源供給和通訊是制約仿生機(jī)器魚作業(yè)時(shí)長(zhǎng)和距離的關(guān)鍵因素。通過(guò)提升電池性能，降低機(jī)器魚能耗以提升續(xù)航時(shí)間，同時(shí)研究太陽(yáng)能、潮汐能等新能源技術(shù)以尋求能源持續(xù)供給的可能。先進(jìn)的通訊技術(shù)如無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)的使用可以增加機(jī)器魚的活動(dòng)范圍，但要面向?qū)嶋H的應(yīng)用，需要開(kāi)發(fā)出通訊范圍更廣、實(shí)時(shí)性更高的通訊技術(shù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

胸鰭波動(dòng)推進(jìn)仿生機(jī)器魚的游動(dòng)具有高效、高機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性的特點(diǎn)，逐漸成為仿生機(jī)器魚領(lǐng)域新的重要研究方向。目前，國(guó)內(nèi)外科研人員采用理論研究、實(shí)驗(yàn)觀測(cè)研究和數(shù)值模擬仿真的方法開(kāi)展了胸鰭波動(dòng)推進(jìn)機(jī)理的研究，為胸鰭波動(dòng)仿生機(jī)器魚的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)外也涌現(xiàn)了一批胸鰭波動(dòng)推進(jìn)仿生機(jī)器魚。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，這一推進(jìn)模式仿生機(jī)器魚的機(jī)體結(jié)構(gòu)將趨于合理，流體載荷分布將更加均衡，運(yùn)動(dòng)參數(shù)控制也更為靈活，在海洋及河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)、船舶水下檢測(cè)與維修、水下軍事偵察等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。

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