智能材料在水下仿生機器人驅動中的應用綜述?

劉貴杰，劉展文，田曉潔，王清揚， 陳 功

(中國海洋大學工程學院，山東 青島 266100)

隨著海洋工程技術的發(fā)展，開發(fā)和使用能夠適應各種復雜海底環(huán)境的水下機器人的任務變得尤為重要，這種需求促進了水下機器人的發(fā)展。然而，水下機器人在水中實現(xiàn)指定的動作任務時會受到各種環(huán)境限制，要實現(xiàn)各種復雜的運動需要水下機器人具有較高的響應速度和加速度，也需要具有較小的轉彎半徑。水生物生活在復雜多變的環(huán)境中，表現(xiàn)出了比較完美的運動特性，因此根據(jù)水生物特點設計各種仿生機器人成為了國內外研究的焦點。

在仿生機器人的研究過程中，國內外研究人員試著利用電機或者液壓驅動加上各種桿、鉸鏈、活塞等機構實現(xiàn)了仿生機器人的運動。與傳統(tǒng)螺旋槳驅動的機器人相比，這些機器人具有推進效率高、機動性好等特點，實際使用中也表現(xiàn)出了比較好的性能。但是，這些仿生機器人也有體型龐大、較難實現(xiàn)柔性運動、推進效率難以媲美模仿的生物等缺陷，在智能控制和操控性等方面還存在很多問題。

近年來，智能材料如形狀記憶合金(Shape Memory Alloy, SMA)、離子導電聚合物材料(Ionic Polymer Metal Composites, IPMC或者Ionic Conducting Polymer Film, ICPF)、壓電材料[1]和納米碳復合材料(Nano-carbon composites)發(fā)展迅速，國內外研究人員利用其中較為成熟的材料作為驅動器，設計并研發(fā)出了一系列新型水下仿生機器人。采用智能材料驅動的仿生機器人能夠很容易地表現(xiàn)出柔性化和完成復雜的運動，在生物學機制上有很大的優(yōu)勢。同時，不同的智能材料在性能和特點上都有不同，它們都有著各自的優(yōu)缺點，本文綜述了國內外近幾年研究的幾種水下仿生鰭機器人，分析了它們的結構特點、驅動模式，并將驅動效率進行了一定的量化對比，并指出了機器人中的一些不足。

1 常見智能驅動材料的驅動特性

1.1 形狀記憶合金材料

形狀記憶合金(SMA)在高溫下定形后，冷卻到低溫，施加變形并存在殘余變形，若再加熱升溫到某一確定的溫度后，就能恢復到變形前的形狀，此過程可以循環(huán)往復，這種明顯的特征就是形狀記憶效應(Shape Memory Effect，簡稱SME)。

形狀記憶合金之所以有形狀記憶效應，原因在于形狀記憶合金存在兩種不同的結構狀態(tài)，高溫時稱之為奧氏體相，低溫時稱之為馬氏體相，其微結構變化過程為：冷卻狀態(tài)的孿晶馬氏體發(fā)生變形后變?yōu)樽冃务R氏體；變形馬氏體加熱后逆轉為奧氏體，形狀恢復；奧氏體冷卻后，再次變?yōu)閷\晶馬氏體(見圖1)，實現(xiàn)形狀記憶的功能[1]。

圖1 SMA材料形狀記憶原理圖Fig.1 SMA Material Shape Memory Schematic

1.2 離子導電聚合物材料

ICPF也稱為IPMC，是一種電活性高分子材料(Electroactive Polymer，EAP)，其主體是聚合物薄膜，如Nafion。聚合物薄膜的兩面鍍有薄的貴金屬(如鉑、金)電極。因其具有感知和驅動的雙重功能而被稱為智能材料。當在ICPF的聚合物薄膜表面電極處施加電壓時，在靜電力作用下，ICPF內部可活動陽離子重新分布，帶動水合水分子向陰極運動，導致陽離子和水分子在陰極積累。在靜電力和膨脹力的共同作用下造成ICPF向陽極方向彎曲變形(見圖2)。

1.3 壓電材料

壓電材料的主要功能是能夠把機械能轉變成電能，反之亦然。目前，主要壓電材料可分為無機和有機(聚合物)壓電材料，其中無機壓電材料主要是單晶體(如石英(SiO2))和多晶體(鋯鈦酸鉛(Principle of lead zirconate titanate，PZT)，見圖3)壓電陶瓷，有機壓電材料主要是偏聚二氟乙烯(PVDF或PVF2)。

PZT材料具有良好的壓電效應，可以用來作為驅動元件。所謂壓電效應，通俗地說就是物體在外力作用下發(fā)生形變時，某些對應的表面上產生異號電荷的現(xiàn)象。在這個過程中沒有外加電場的作用，僅僅是由于形變使材料的電極化狀態(tài)發(fā)生改變而產生電荷，實現(xiàn)了機械能到電能的轉換。而且壓電效應是可逆的，即僅僅在電場作用下壓電材料也會產生形變，實現(xiàn)電能到機械能的轉換，這一現(xiàn)象被稱為逆壓電效應。壓電材料具有較強的正、負壓電效應，既可作為傳感器又可作為驅動器。

圖2 ICPF工作原理示意圖Fig.2 ICPF working principle diagram

圖3 鋯鈦酸鉛原理Fig.3 Principle of lead zirconate titanate，PZT

1.4 納米碳復合材料

根據(jù)納米碳材料(Nano-carbon composites)的驅動原理，分為電熱致動驅動、光致驅動和濕度致動驅動。由于光致驅動的驅動頻率很低，不適用水下機器人的驅動要求。另外，濕度驅動不適用水下環(huán)境。所以下面僅介紹電熱致動驅動納米碳復合材料。

電刺激的驅動是最常見的驅動，它可以把電能轉換成機械能。對于碳納米管的電熱致動驅動，Baughman等人[2]在1999年就對驅動的原理做了探究。在電解池溶液中，加外在電壓對單壁的碳納米管紙進行周期性的電化學充放電，碳納米管薄膜層管束表面中的Na+與Cl-可以中和外加電壓向碳納米管中注入的電荷，從而兩邊碳納米管薄膜中間的長度平衡被打破， 導致其發(fā)生顯著的量子伸縮效應，使得整個驅動器相

應的向左或向右擺動。陳韋等人[3]在2014年設計了一種基于納米管和石墨烯的能在空氣中穩(wěn)定存在的柔性電機械離子型驅動器。碳納米管和石墨烯離子型驅動器是由兩個碳納米電極層與夾在兩電極之間的聚合物電解質層通過熱壓形成的類“三明治”結構如圖4(a)，是一種新型納米分層結構電極。在外加電場的作用下，陰陽離子向兩邊的電極移動，由于陽離子的半徑大于陰離子，使得驅動器向陽極彎曲，如圖4(b)。

圖4 (a) 離子聚合物金屬復合材料(垂直的氧化鎳納米陣列與還原氧化石墨烯-躲避碳納米管)的電化學驅動的組裝示意圖；(b) 施加電壓的電極層和移出多余的離子產生的驅動器應變的示意圖, 其中黑色代表RGO-碳納米管, 綠色的NiO納米壁[4]

Fig.4 (a) Illustration of structure and assembly procedure of the ionic polymer metal composites (VANiONW@RGO-MWCNT) electrode base electrochemical actuator; (b) schematic illustration of strain generated of actuator with excess ions in and out of the electrode layers with voltage applied, black represents RGO-MWCNTs and green is NiO nanowalls[4]

1.5 四種智能材料的性能比較

根據(jù)上文介紹可知，四種智能材料的驅動機理是有區(qū)別的，因此由四種材料做成的驅動元件的驅動特點和性能也會有所不同。表1大致描述了上述四種智能驅動材料的一些性能參數(shù)，從表中的數(shù)據(jù)也可以大概總結出四種材料的特點。

SMA材料作為驅動器，其優(yōu)點主要有：只需要較低的電壓就能實現(xiàn)驅動，輸出應力大；缺點是：驅動頻率過低，續(xù)航較差。這是由于SMA的形變一般是通過加熱到一定溫度來實現(xiàn)的，散熱時間長和能耗高，所以不適用于高頻動作。由于輸出應力較大，游動速度和推力大，同時能耗較高，續(xù)航時間也較短。

ICPF材料作為驅動器，優(yōu)點主要有：需要的驅動電壓小，能量轉換率高，能耗小，續(xù)航時間長；缺點是：采用低電壓驅動，輸出功率很小，盡管能量的轉化效率高，但由于有效功率依然較小，所以游動速度和推力相對較小，必須在潮濕的條件下才能實現(xiàn)驅動。同時由于對驅動電源的電壓和功率的要求較小，所以容易實現(xiàn)自帶電源的無纜自主游動。

PZT材料作為驅動器，優(yōu)點主要有：響應速度快，輸出力大；缺點是：需要驅動電壓大，應變小。由于應變過小，所以作為驅動器時需要傳輸機構來放大，所以不易實現(xiàn)自帶電源的無纜自主游動，也在一定程度上增大了機器人的體積。

納米碳復合材料作為驅動器，優(yōu)點主要有：驅動所需電壓較低，材料應力較低，而且使用壽命長，在空氣中穩(wěn)定循環(huán)次數(shù)高達500 000次。缺點是最大應變不大，若作為水下機器人驅動器，則游動速度慢。

表1 SMA、IPMC、PZT以及碳納米復合材料主要性能參數(shù)[5-6]Table 1 The main performance parameters of SMA, IPMC, PZT and carbon nanocomposites

2 基于智能材料驅動的機器人

就目前國內外智能驅動器的發(fā)展情況，還沒有發(fā)現(xiàn)納米碳復合材料作為驅動成功應用在水下仿生機器人上，文章對目前國內外已經研究成功的三種不同驅動材料的仿生機器人進行介紹，為方便比較驅動器的驅動效率，我們采用水下機器人的游動速度和游動方向上的尺寸的比值[2](每秒游動幾個身體長度，BL/s)作為參考標準。

2.1 采用SMA驅動的水下機器人

哈爾濱工業(yè)大學的王振龍等人利用SMA絲設計并制造類了基于柔性鰭單元的微型機器魚樣機[7-8](見圖5)，該驅動器是利用多SMA絲組合實現(xiàn)柔性驅動。彎曲角度理論分析表明，這種柔性鰭單元在SMA絲收縮應變很小時即可達到較大的轉角。該機器魚的樣機的長寬高分別為146、17和34 mm，質量為30 g。實驗結果表明，該樣機在水中能實現(xiàn)最大游動速度為112 mm/s(0.767 BL/s)，并能夠實現(xiàn)的最小轉動半徑為136 mm，體現(xiàn)了較好的性能。它模擬了大多數(shù)水下生物的游動基本動作——柔性彎曲，具有結構簡單，動作無聲，輸出力大，無相對移動的機械部件，可移植性好，隱蔽性好等優(yōu)點?？稍谠搯卧习惭b鰭等被動部件增大控制面，實現(xiàn)無聲推進，模擬魚高效游動時，在尾鰭末端瀉出一系列渦流環(huán)，形成卡門渦街，提高推進效果，這種推進方式在仿生水下機器人特別是微小型水下機器人等領域有著廣泛的應用前景。但是此種機器人樣機是通過有線控制來實現(xiàn)各種動作，而且采用的控制是開環(huán)控制，同時尾鰭的結構形狀也沒有進行優(yōu)化設計，未來可以在機器魚上添加傳感器等材料并實行閉環(huán)控制，并對尾鰭形狀進行優(yōu)化設計，提高機器魚的性能。

((a)組裝前；(b)組裝后。 (a) Before assembly; (b) After assembly.)

圖5 利用SMA材料制作的仿生機器魚
Fig.5 Bionic fish made using SMA material

美國佛吉尼亞理工學院的Villanueva A等人受水母啟發(fā)研制的水母機器人樣機[9]，使用的是一種基于SMA驅動器驅動機器人運動(見圖6)。該驅動器每個單元由一個彈簧鋼和SMA絲嵌入在硅膠表皮中制作而成，英文簡稱為BISMAC，它由固定在一側的SMA絲驅動產生彎曲變形，靠彈簧鋼自身彈性回復。這些單向擺動單元同時動作，使得機器魚體產生收縮，擠壓內部腔體的水產生噴水動作，進而完成推進過程。機器人的外殼直徑為133 mm，高度為82 mm。該機器人的最大速度在驅動頻率為0.5 Hz條件實現(xiàn)，速度為54 mm/s(0.659 BL/s)。

哈爾濱工業(yè)大學的王揚威等人受烏賊啟發(fā)，利用SMA材料作為驅動元件，設計出了一種利用噴射推進機構進行推進運動的仿生機器人[10]。高飛等人在此種機器人的基礎上進行了改進，設計出了一種推進速度更高、性能更好的機器人(見圖7)[11]。該機器人使用SMA絲和硅膠材料相結合作為仿生外套膜，用來模仿烏賊的運動模式，通過對SMA絲的加熱冷卻控制機器人腔內通過噴嘴向外噴水實現(xiàn)機器人的運動。該機器人長寬高分別為250、160和70 mm，在驅動電壓為25 V情況下，機器人能產生平均為0.14 N的推動力，實驗結果表明在驅動頻率為0.83 Hz條件下，機器人能達到的最大速度為87.6 mm/s(0.35 BL/s)。

((a)內部網狀結構的俯視圖；(b)一個BISMAC執(zhí)行機構示意圖；(c)回復狀態(tài)；(d)收縮狀態(tài)。 (a) A top view of the internal network structure, (b) A schematic diagram of a BISMAC actuator, (c) A reply state, (d) A contraction state.)

圖6 使用SMA驅動采用噴氣式推進方式的機器水母
Fig.6 Jellyfish with jet propulsion is driven by SMA

((a)裝配體;(b)組成結構。 (a) Assembly； (b) The composition of the structure.)

圖7 仿生外套膜噴射推進器
Fig.7 Bionic mantle jet propulsion

2.2 采用ICPF驅動的水下機器人

哈爾濱工程大學的蘇玉東和葉秀芬等人研究的一種可用于微型機器魚實時控制的ICPF的驅動模型[12]，提出采用多段ICPF推進器擬合魚的尾部擺動軌跡來提高推進效率方的方法，并且優(yōu)化了尾鰭被動鰭的形狀，采用鰭條結構提高微型機器魚的效率，有助于尾鰭形成更好的渦流來提高微型機器魚的推進性能，提高了機器魚的游速。他們研究的微型機器魚最終達到的指標有：前進速度最高36 mm/s(0.36 BL/s)，上浮速度最高22 mm/s，下潛速度最高17 mm/s。有效載荷5.5 g。機器魚長99 mm，能夠遙控和自主游動，續(xù)航時間30 min(見圖8)。跟此前的同類研究相比，游速和續(xù)航時間是領先的。這種水下機器人在尾部驅動器的結構上可以進一步優(yōu)化，并可以采用ICPF的自傳感特性，研究利用ICPF驅動器自身同時作為傳感器來實現(xiàn)閉環(huán)控制。

美國弗吉尼亞大學的Zheng Chen等人模仿蝠鲼胸鰭設計出一種仿生機器人[13]，該機器人使用放置于PDMS(聚二甲硅氧烷)薄膜中的四個IPMC薄片作為驅動元件(見圖9)。該機器人樣機的外形尺寸中，長為80 mm(不包括尾部長度)、寬180 mm、高為25 mm，質量為55.3 g。對該樣機進行游動測試，可以測得樣機的最大游動速度是在電壓為3.3 V，頻率為0.4 Hz時獲得，速度為4.2 mm/s(0.053 BL/s)。機器人在胸鰭的外形優(yōu)化和IPMC薄片的材料性能上還有很大的提升潛力，同時對于IPMC薄片的控制可以進一步優(yōu)化，使胸鰭能夠產生更大的推進力，提高機器人的推進速度。

((a)整體結構;(b)在水中游動。(a) The overall structure; (b) Swimming in water.)

圖8 采用ICPF驅動器驅動的微型機器魚樣機
Fig.8 Micro-machine fish prototype driven by ICPF driver

圖9 仿蝠鲼機器人的俯視圖Fig.9 The top view of the mimetic robot

天津理工大學的樊成、魏祥等人利用ICPF材料作為驅動器設計了一種無線智能仿生魚型機器人[14]，該機器人的樣機長寬高分別為14、6、8 cm，重量為200 g，采用ICPF薄膜作為機器人的魚尾(見圖10)。同時，在魚眼和魚嘴處內嵌3路紅外避障傳感器作為機器人的導航系統(tǒng)，該機器人續(xù)航時間長達3 h，可實現(xiàn)在水中無噪聲前進、彎曲和避障等運動模式，且可以實現(xiàn)在線編程和實時充電。在驅動電壓為9 V，驅動頻率為1 Hz的條件下，該樣機的最大游動速度為10.02 mm/s(0.07 BL/s)。該機器人存在的較大問題就是游動速度過慢，在游動速度方面還有很大的提升空間。

2.3 使用PZT材料驅動的水下機器人

韓國建國大學的Seok Heo等人使用兩個壓電復合材料薄膜、一個支架、兩個行星齒輪和聯(lián)軸器鏈接作為驅動元件，設計出一種仿生機器魚樣機[15]，該樣機長寬高分別為270、50和65 mm，質量為550 g，該機器魚在工作電壓頻率為0.9 Hz情況下產生最大的推力為0.007 1 N，最大游動速度為25.19 mm/s(0.093 BL/s)。

圖10 基于ICPF驅動器無線仿生魚型機器人Fig.10 Based on ICPF driver wireless bionic fish type robot

圖11 PZT驅動的仿生機器魚驅動機構Fig.11 PZT-driven bionic machine fish drive mechanism

韓國建國大學的Quang Sang Nguyen等人在之前研究基礎上，使用四個壓電復合材料薄膜作為驅動元件，經過一個聯(lián)動裝置驅動魚尾擺動[16]，該機器魚長寬高分別為400、150和40 mm(見圖11)。在機器魚樣機游動的實驗中，使用0.5～2 Hz頻率的電壓對機器魚游動進行測試，實驗結果表明在魚尾擺動頻率為1.4 Hz的條件下，魚尾推動力可達0.004 8 N，機器魚可以產生32 mm/s(0.08 BL/s)的游動速度。后來，他們改進了聯(lián)動裝置的結構，使用三維軟件CFD對模型進行模擬仿真[17]，并經過實驗驗證在3.7 Hz電壓驅動條件下可以實現(xiàn)魚尾漩渦的完全分離，此時魚尾的推進力最大，可達到0.007 2 N。

2.4 SMA和ICPF共同驅動的仿生機器人

由于SMA材料和ICPF材料作為驅動器具有各自的優(yōu)點，可以把兩種材料結合起來作為機器人的驅動器。日本香川大學的郭書祥等人研究了一系列采用SMA和ICPF混合驅動的水下機器人。其中的仿水母機器人[18-19]主要是將SMA材料放置于機器人的身體內部(見圖12)，ICPF材料作為水母機器人的觸角，通過控制SMA的形狀改變機器人的形狀，實現(xiàn)水母機器人內部水的吸收與排放進而達到驅動機器人的目的，ICPF作為機器人的觸角配合SMA驅動器運動實現(xiàn)機器人的姿態(tài)控制。

圖12 SMA和ICPF混合驅動的水母機器人Fig.12 SMA and ICPF hybrid driven jellyfish robots

3 三種智能驅動材料驅動的機器人的游動效率分析

由于材料驅動機理的不同，文章中介紹的三種智能材料作為驅動器設計的水下機器人的結構和驅動原理都有各自的不同。水下機器人的游動速度是衡量機器人性能的一個主要因素，形狀結構的不同很大程度上影響機器人的游動速度，為方便綜合比較三種驅動材料的驅動效率，我們可以采用水下機器人的游動速度和游動方向上的尺寸的比值(每秒游動幾個身體長度，BL/s)作為這一比較依據(jù)(見圖13)。從圖13中可以看出，使用SMA材料作為驅動器的水下機器人的游動速度是三者中最高的，ICPF和PZT的作為驅動器的機器人游動速度相對較低。同種材料相比，增大機器人的體積并不能夠提高機器人的驅動效率。

圖13 三種智能驅動器的推進效率比較Fig.13 Comparison of Propulsion Efficiency of Three Kinds of Intelligent Drives

從圖13中能夠看出，SMA驅動的水下機器人游動速度最大，如果想要設計推進速度較大的機器人，可以優(yōu)先考慮SMA材料；ICPF材料驅動的機器人體積最小，因為同樣尺寸的材料，變形率ICPF是大于SMA的，更是遠大于PZT，因此對機器人微型化要求更高的，可以優(yōu)先考慮ICPF材料；采用PZT材料驅動的機器人體積最大，這是因為PZT材料變形量太小，作為驅動器需要一個放大機構，一定程度上增加了機器人的尺寸，目前PZT材料在水下機器人的應用方面相對還是較少。

4 結語

本文介紹了SMA、ICPF、PZT和納米碳復合材料四種材料的驅動機理和各自的特點，列舉了SMA、ICPF和PZT三種材料作為驅動器的仿生機器人目前在國內外的研究現(xiàn)狀，并對幾種機器人做了一定的比較。

智能材料作為驅動機構，應用于水下機器人中，具有結構簡單、體積小、無聲推進、功重比高等特點。各國的研究人員充分利用智能材料的驅動優(yōu)勢，采用其他方法解決其存在的缺點，在水下仿生機器人智能驅動這方面取得了大量的研究成果。但是，和傳統(tǒng)的電機驅動相比，智能材料驅動器的推進速度還有很大的劣勢；由于結構自身特點，在驅動和控制方式的研究上還不夠成熟。在今后的研究中，對于不同的智能材料要充分利用其優(yōu)勢，選擇更加優(yōu)秀的設計方案，設計出更好的驅動方式，提高驅動速度；同時，在智能控制方面也要結合材料自身性能，利用材料自身的傳感特性，設計出更好的控制方式。

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