基于智能驅(qū)動(dòng)材料的水下仿生機(jī)器人發(fā)展綜述

王延杰, 郝牧宇, 張 霖, 駱敏舟

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基于智能驅(qū)動(dòng)材料的水下仿生機(jī)器人發(fā)展綜述

王延杰1, 2, 郝牧宇1, 張 霖1, 2, 駱敏舟1, 2

(1. 河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 江蘇 常州, 213022; 2. 河海大學(xué) 江蘇省特種機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 常州, 213022)

經(jīng)過漫長的自然選擇, 水生生物已進(jìn)化出獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)模式, 在水下生存具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。研究水生生物的運(yùn)動(dòng)方式并加以模仿, 同時(shí)將智能驅(qū)動(dòng)材料應(yīng)用于水下仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)是目前水下仿生機(jī)器人的研究熱點(diǎn)之一。結(jié)合水生生物和智能驅(qū)動(dòng)材料的優(yōu)點(diǎn), 使得采用智能驅(qū)動(dòng)材料設(shè)計(jì)的水下仿生機(jī)器人更易小型化、機(jī)動(dòng)性更高, 可進(jìn)行連續(xù)柔性運(yùn)動(dòng), 從而實(shí)現(xiàn)在水下的復(fù)雜動(dòng)作, 相較傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式具有顯著優(yōu)勢。文中介紹了幾種典型水生生物的運(yùn)動(dòng)機(jī)理, 比較了4種典型智能材料性能指標(biāo)及其優(yōu)缺點(diǎn), 在此基礎(chǔ)上綜述了現(xiàn)有3種模仿水生生物推進(jìn)方式的采用智能驅(qū)動(dòng)材料設(shè)計(jì)的水下仿生機(jī)器人及其結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn), 并對(duì)其運(yùn)動(dòng)效率進(jìn)行了分析和比較, 指出了未來水下仿生機(jī)器人的發(fā)展需要解決的一些關(guān)鍵問題。

水下仿生機(jī)器人; 水生生物; 運(yùn)動(dòng)機(jī)理; 智能驅(qū)動(dòng)材料

0 引言

隨著人類對(duì)于海洋等復(fù)雜水域的探索愈加深入, 開發(fā)和應(yīng)用能夠在各種復(fù)雜水域環(huán)境執(zhí)行危險(xiǎn)或者人工難以完成的任務(wù)的水下機(jī)器人迫在眉睫。而水生生物具有多樣化的身體結(jié)構(gòu)以及出色的水下運(yùn)動(dòng)能力, 這使得他們能夠在復(fù)雜的水下環(huán)境中生存。通過研究多種水生生物的形態(tài)學(xué)和運(yùn)動(dòng)方式, 從而獲得靈感以模仿水生生物的推進(jìn)方式來設(shè)計(jì)水下仿生機(jī)器人成為當(dāng)前機(jī)器人領(lǐng)域的重要研究方向[1-3]。同時(shí)由于機(jī)器人在水下運(yùn)動(dòng)時(shí)需要模仿生物的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的動(dòng)作, 并且因水下環(huán)境的限制, 使得電機(jī)驅(qū)動(dòng)的體積較大的機(jī)器人難以實(shí)現(xiàn)柔性連續(xù)運(yùn)動(dòng), 其機(jī)動(dòng)性和控制性能受到極大的制約[4-5], 因此, 以水下仿生功能為目標(biāo), 結(jié)合現(xiàn)有仿生結(jié)構(gòu)、智能驅(qū)動(dòng)材料以及先進(jìn)的控制方式, 發(fā)展功能趨近水下生物的機(jī)器人成為了可能。

智能驅(qū)動(dòng)材料是近20年來迅速發(fā)展的先進(jìn)功能材料, 其具有外界刺激-響應(yīng)的變形特性。不同于傳統(tǒng)的“電機(jī)驅(qū)動(dòng)+機(jī)械傳動(dòng)”的模式, 智能驅(qū)動(dòng)材料可以實(shí)現(xiàn)“無機(jī)械關(guān)節(jié)的原位”驅(qū)動(dòng)模式, 是一種極具代表性和發(fā)展?jié)摿Φ尿?qū)動(dòng)方式。現(xiàn)有智能驅(qū)動(dòng)材料主要包括形狀記憶合金/聚合物(shape memory alloy/polymer, SMA/SMP)、壓電陶瓷、電活性聚合物(electroactive polymer)材料(又可細(xì)分為離子型和電場型, 離子型以離子聚合物金屬復(fù)合材料(ionic polymer-metal composites, IPMC)為代表, 電場型以介電彈性體(dielectric elastomer, DE)材料最為典型)等[6]。隨著材料機(jī)理及制備技術(shù)的發(fā)展, 智能驅(qū)動(dòng)材料在水下仿生機(jī)器人上得到廣泛應(yīng)用。結(jié)合智能材料驅(qū)動(dòng)器和各類水生生物推進(jìn)方式而設(shè)計(jì)出的水下仿生機(jī)器人能夠較好地實(shí)現(xiàn)連續(xù)柔性運(yùn)動(dòng), 也更好地模仿了水生生物的推進(jìn)方式。水生生物的推進(jìn)方式各有特點(diǎn), 相對(duì)應(yīng)的不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也具有不同的性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。文章綜述了國內(nèi)外近年來所研究的各類典型的水下仿生機(jī)器人, 分析了他們的運(yùn)動(dòng)機(jī)理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn), 并對(duì)其運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行了比較和分析。

1 水生生物運(yùn)動(dòng)機(jī)理

1.1 水母運(yùn)動(dòng)機(jī)理

水母身體呈傘形或倒置的碗狀, 其身體向外凸出的一面稱為上傘面(也稱外傘面), 凹的一面稱下傘面, 如圖1所示[7]。水母的傘體內(nèi)部存在著多種肌肉組織, 這些肌肉組織從傘體的頂端延伸到傘體的末端, 其控制著內(nèi)腔體積的變化。當(dāng)內(nèi)腔擴(kuò)張時(shí), 水流進(jìn)入腔體內(nèi); 當(dāng)內(nèi)腔收縮時(shí), 腔體內(nèi)的水被排出。水母利用傘體收縮排水反沖進(jìn)行運(yùn)動(dòng), 排水時(shí)產(chǎn)生的推力使水母沿身體軸向方向運(yùn)動(dòng), 如圖2所示[8-9]。

圖1 水母結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 水母在游動(dòng)中的形態(tài)變化

1.2 烏賊運(yùn)動(dòng)機(jī)理

烏賊的游動(dòng)運(yùn)動(dòng)采用鰭的波動(dòng)和噴射推進(jìn)兩者相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn), 其身體結(jié)構(gòu)如圖3所示。通過鰭的波動(dòng)運(yùn)動(dòng), 可以實(shí)現(xiàn)慢速的游動(dòng)和位置的保持, 快速的游動(dòng)主要通過噴射推進(jìn)來實(shí)現(xiàn)。烏賊的噴射推進(jìn)過程主要包括了吸水和噴水兩步驟。在吸水的過程中, 其外套膜擴(kuò)張形成負(fù)壓將水吸入, 充滿外套膜腔; 噴水過程中, 外套膜收縮將腔體內(nèi)的水噴出。吸水和噴水的過程相互交替, 通過噴水時(shí)形成的反作用力產(chǎn)生推動(dòng)力實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)[10-11], 如圖4所示。

圖3 烏賊結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 烏賊運(yùn)動(dòng)過程示意圖

1.3 魚類游動(dòng)機(jī)理

魚類運(yùn)動(dòng)的推進(jìn)方式可分為2種[12-14]: 1) 身體和/或尾鰭推進(jìn)(body and/or caudal fin, BCF), 大部分魚類采用此運(yùn)動(dòng)方式, 比如鰻魚和鲹科的魚類(如圖5所示), 在BCF運(yùn)動(dòng)中, 魚類身體肌肉收縮, 身體的起伏波動(dòng)從身體前部向后傳播, 并產(chǎn)生推動(dòng)力, 如圖3所示; 2) 中間鰭和/或?qū)捦七M(jìn)(median and/or paired fin, MPF), 較少的魚類采用此運(yùn)動(dòng)方式, 比如蝠鲼和鲀科[15]的魚類(見圖6和圖7), 在MPF運(yùn)動(dòng)中, 主要通過魚鰭的運(yùn)動(dòng), 比如胸鰭進(jìn)行拍翼運(yùn)動(dòng)等產(chǎn)生推進(jìn)力。

圖5 采用身體和/或尾鰭推進(jìn)方式運(yùn)動(dòng)的魚類游動(dòng)身體變化

2 智能驅(qū)動(dòng)材料

現(xiàn)有的智能驅(qū)動(dòng)材料主要包括形狀記憶合金/聚合物、壓電陶瓷和電活性聚合物材料等。這幾種材料有著不同的驅(qū)動(dòng)機(jī)理, 因此其驅(qū)動(dòng)的性能也有所不同。形狀記憶合金作為驅(qū)動(dòng)器, 其優(yōu)點(diǎn)為驅(qū)動(dòng)電壓小, 輸出力大; 缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)頻率低。由于形狀記憶效應(yīng)與溫度變化相關(guān), 使得其性能在溫度變化較大的環(huán)境中會(huì)受到一定影響。IPMC材料作為驅(qū)動(dòng)器有著驅(qū)動(dòng)電壓小, 驅(qū)動(dòng)頻率較快, 能量消耗少的優(yōu)點(diǎn), 但同時(shí)也存在因輸出功率小使得機(jī)器人游動(dòng)速度和推力相對(duì)較小的缺點(diǎn); 壓電材料作為驅(qū)動(dòng)器, 其響應(yīng)速度快, 輸出力大, 但是需要較大的驅(qū)動(dòng)電壓。DE材料有著快速響應(yīng)和大變形的優(yōu)點(diǎn), 但在應(yīng)用中需要高驅(qū)動(dòng)電壓, 且需要經(jīng)過預(yù)拉伸才能作為驅(qū)動(dòng)器使用。上述智能驅(qū)動(dòng)材料的具體性能指標(biāo)見表1。

圖6 蝠鲼在游動(dòng)中的身體變化

圖7 鲀科在游動(dòng)中胸鰭的運(yùn)動(dòng)

3 水下仿生機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 仿生水母

關(guān)于仿生水母的研究至少可以追溯到10年前。2007年日本香川大學(xué)的Guo等[16]研究了采用SMA和IPMC共同驅(qū)動(dòng)的仿生水母機(jī)器人(見圖8(a))。其全部結(jié)構(gòu)主要為4部分: 頭部、4根觸手、1根中間軸和薄膜, 整個(gè)結(jié)構(gòu)呈軸對(duì)稱形式。觸手作為連接機(jī)構(gòu), 其一端與頭部相連, 另一端為一塊IPMC驅(qū)動(dòng)器。觸手通過SMA驅(qū)動(dòng)器和中間軸相連(見圖8(b))。機(jī)器人整體長75 mm, 質(zhì)量6.5 g, 鈴鐺狀身體最大直徑55 mm, 移動(dòng)方向長度46.1 mm, 最大速度6 mm/s, 即0.13BL/s(BL/s表示每秒行進(jìn)的距離為體長的倍數(shù))。圓形頭部減小了在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻力, 中間軸用于保持運(yùn)動(dòng)平衡和穩(wěn)定。SMA驅(qū)動(dòng)器并不直接提供動(dòng)力, 而是通過SMA驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人傘體內(nèi)部空間變化的控制以產(chǎn)生推力(見圖8(c))。觸手及其末端的IPMC驅(qū)動(dòng)器起到類似船槳的作用, IPMC驅(qū)動(dòng)器有節(jié)奏地彎曲, 實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的姿態(tài)控制并提供一定的輔助推力。SMA驅(qū)動(dòng)器和IPMC驅(qū)動(dòng)器的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)可產(chǎn)生更大的推力, 并實(shí)現(xiàn)仿生水母機(jī)器人在水中的姿態(tài)控制, 包括上升、下潛和懸浮等。

美國弗吉尼亞理工學(xué)院的Villanueva等[17]對(duì)海月水母(Aurelia aurita)進(jìn)行了形態(tài)學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析, 并于2011年研究了一種基于SMA驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的仿生水母機(jī)器人Robojelly。由于一般的SMA驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的形變不足以達(dá)到理想的要求, 故采用了一種仿生形狀記憶合金復(fù)合材料(bioinspired shape memory alloy composite, BISMAC)驅(qū)動(dòng)器, 其由SMA絲和彈簧鋼嵌入硅膠中組成(見圖9(a))。Robojelly由硅膠矩陣組成, 硅膠通過模具制造成水母的外形, 8個(gè)BISMAC驅(qū)動(dòng)器嵌入到硅膠中, 繞軸線呈放射狀布置。這8個(gè)BISMAC驅(qū)動(dòng)器各自作為單獨(dú)的系統(tǒng)連接到頂部的安裝座, 該安裝座用于固定BISMAC驅(qū)動(dòng)器, 同時(shí)也用于容納電路及電子設(shè)備。運(yùn)動(dòng)中, BISMAC因SMA絲變形而向內(nèi)彎曲, 驅(qū)動(dòng)單元的動(dòng)作使得機(jī)器人的身體收縮, 減小了腔體內(nèi)部的容積, 將腔體內(nèi)的水排出以產(chǎn)生動(dòng)力。機(jī)器人并未使用驅(qū)動(dòng)器來完成由收縮狀態(tài)恢復(fù)到放松狀態(tài)這一過程, 因?yàn)樵赟MA絲變形使得機(jī)器人身體收縮時(shí), 硅膠和彈簧鋼在這個(gè)過程中也產(chǎn)生了彎曲變形儲(chǔ)存了彈性勢能, 當(dāng)停止對(duì)SMA絲施加電壓時(shí), SMA絲的形變恢復(fù), 硅膠和彈簧鋼釋放彈性勢能, 機(jī)器人整體恢復(fù)到放松狀態(tài), 腔體內(nèi)部容積增大, 水被容納到腔體內(nèi), 以便機(jī)器人的下一次收縮變形排出腔體內(nèi)的水產(chǎn)生動(dòng)力(見圖9(b)和(c))。該機(jī)器人的總體質(zhì)量為242 g, 傘體直徑為164 mm。在靜水條件下每0.19 s產(chǎn)生1次推力, 和水母每0.25 s產(chǎn)生1次推力的頻率相接近。當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率為0.5 Hz時(shí), 達(dá)到最佳的運(yùn)動(dòng)性能, 最大瞬時(shí)速度為54.2 mm/s(0.661 BL/s), 最大加速度達(dá)到34.01 cm/s2。

圖9 采用仿生形狀記憶合金復(fù)合材料驅(qū)動(dòng)器的仿生水母機(jī)器人

以上列舉的仿生機(jī)器人均采用水母的運(yùn)動(dòng)方式作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ), 并將SMA作為主要的驅(qū)動(dòng)器來提供動(dòng)力, 但兩者在結(jié)構(gòu)上還存在著一定的不同之處。圖8中的仿生機(jī)器人雖然采用了智能材料作為驅(qū)動(dòng)器, 但其整體結(jié)構(gòu)仍是偏剛性的。而在圖9中, 仿生水母的整個(gè)身體是由軟體材料制造的, 與智能材料驅(qū)動(dòng)器相結(jié)合能更好地實(shí)現(xiàn)柔性連續(xù)的運(yùn)動(dòng)。此外, 由于SMA材料本身的特性, 需要通過加熱和冷卻來達(dá)到一定溫度產(chǎn)生變形, 因此不得不考慮水下環(huán)境和機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)驅(qū)動(dòng)效果的影響。圖9中SMA直接被包裹在硅膠材料中, 那么SMA加熱到一定溫度變形后再進(jìn)行冷卻恢復(fù)可能會(huì)需要較長的時(shí)間, 從而影響到SMA驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)頻率。圖8中, SMA驅(qū)動(dòng)器與水接觸, 雖然冷卻會(huì)更快, 但加熱到產(chǎn)生形變所需溫度的時(shí)間也變得更長, 這2種設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)頻率都不可避免地受到SMA材料特性的影響。存在的這些問題可以通過采用控制SMA通電時(shí)間的方式得到改善, 也就是說選取合適的占空比和頻率來控制SMA加熱和冷卻時(shí)間的分配可以達(dá)到理想的驅(qū)動(dòng)頻率。

3.2 仿生烏賊

關(guān)于烏賊的特殊推進(jìn)方式, 國內(nèi)很早就開展了相關(guān)研究。2011年, 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王揚(yáng)威等[18]根據(jù)烏賊噴射推進(jìn)的原理研制了一種采用形狀記憶合金絲驅(qū)動(dòng)的仿生噴射推進(jìn)器。該設(shè)計(jì)簡化了烏賊的生物結(jié)構(gòu)并對(duì)烏賊噴射運(yùn)動(dòng)的過程加以模仿。仿生噴射推進(jìn)器的外形與烏賊相似如圖10所示, 由仿生外套膜和漏斗組成(見圖10(a))。仿生外套膜由硅膠澆注成型, 橫截面為圓環(huán)狀, 前部封閉, 后部開放, 通過外套膜的收縮和擴(kuò)張, 能夠?qū)崿F(xiàn)充水和噴射, 漏斗安裝在外套膜的開放端, 成錐形, 水流通過漏斗的窄口進(jìn)出。筋條和SMA絲嵌入到仿生外套膜中, 筋條用于外套膜形狀的維持。相鄰的筋條由SMA絲連接(見圖10(b)), 當(dāng)對(duì)SMA絲施加電壓時(shí), SMA絲產(chǎn)生形變收縮, 帶動(dòng)兩側(cè)的筋條使其間距變小, 進(jìn)而讓整個(gè)仿生外套膜收縮, 減小腔內(nèi)體積, 將水噴射出產(chǎn)生動(dòng)力。當(dāng)仿生外套膜放松時(shí), 停止對(duì)SMA絲施加電壓, 依靠收縮時(shí)硅膠外套膜所儲(chǔ)存的彈性勢能促使整個(gè)形狀恢復(fù)到SMA絲通電前的狀態(tài)。樣機(jī)的仿生外套膜長為260 mm, 外部直徑為110 mm, 質(zhì)量為805 g。當(dāng)SMA絲通電電流為18 A, 通電時(shí)間為2.5 s時(shí), 最高游速可達(dá)58 mm/s (0.223 BL/s)。之后, Gao等[19]于2014年設(shè)計(jì)了一種推進(jìn)速度更快、運(yùn)動(dòng)性能更佳的仿生機(jī)器人。該硅膠制成的仿生外套膜橫截面半徑為55 mm, 長度約230 mm, 其厚度為8 mm。沿硅膠體的長度方向嵌入了樹脂玻璃條, 將其作為仿生外套膜的骨架。樹脂玻璃條沿長度方向存在著一些等距的小孔, SMA絲穿過小孔沿圓周方向嵌入到硅膠體中, SMA絲的變形將帶動(dòng)外套膜的收縮。完整的仿生推進(jìn)器包括了仿生外套膜、艙體、半圓形擋板、噴嘴和開關(guān)膜(見圖11)。仿生外套膜固定在艙體上, 形成仿生外套膜腔。將開關(guān)膜與半圓形的擋板粘在一起, 并一起固定在艙體的前部, 確保仿生外套膜腔的密閉性。噴嘴固定在半月形擋板上, 通過控制噴嘴的彎曲來改變水流噴射的方向, 進(jìn)而控制推進(jìn)方向。運(yùn)動(dòng)過程中, 當(dāng)仿生外套膜收縮時(shí), 開關(guān)膜與仿生外套膜的內(nèi)壁緊密接觸, 此時(shí)水流從噴嘴噴射出產(chǎn)生推力, 當(dāng)仿生外套擴(kuò)張時(shí), 開關(guān)膜向反方向彎曲打開一條窄縫, 讓水進(jìn)入腔體內(nèi)部。整體的仿生推進(jìn)器長度為250 mm, 寬160 mm, 高70 mm, 質(zhì)量為728 g, 在25 V的驅(qū)動(dòng)電壓下, 達(dá)到0.82 Hz的噴射頻率, 平均速度為87.7 mm/s(0.35 BL/s)。

圖10 仿生噴射推進(jìn)器

圖11 仿生外套膜推進(jìn)器

以上研究的機(jī)器人都旨在通過模仿烏賊噴射推進(jìn)的運(yùn)動(dòng)方式來設(shè)計(jì)仿生噴射推進(jìn)器, 但由于SMA絲本身的驅(qū)動(dòng)頻率較低, 導(dǎo)致其驅(qū)動(dòng)的仿生外套膜收縮頻率也較低, 從而使其游動(dòng)速度較低, 制約了此類推進(jìn)器的實(shí)際性能。Gao等[19]通過對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及SMA絲布置方式的改進(jìn), 使得該類推進(jìn)器的驅(qū)動(dòng)頻率和游動(dòng)速度接近于真實(shí)的烏賊, 但各方面性能與真實(shí)的烏賊相比依然存在著一定的差距。有2種方法可以改善此類推進(jìn)器的運(yùn)動(dòng)性能: 一是通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及提高材料的形變來增大腔體體積的變化量以提高單次噴射推進(jìn)產(chǎn)生的推力。由于SMA的形變率受到驅(qū)動(dòng)電壓的影響, 提高對(duì)SMA施加的電壓可以提高其形變率從而提升推進(jìn)器產(chǎn)生的推力。二是提高水流噴射的頻率, 噴射的頻率受到SMA絲驅(qū)動(dòng)頻率的影響, 而SMA絲的驅(qū)動(dòng)頻率又取決于其加熱和冷卻所需的時(shí)間, 這是無法從原理上避免的, 一種可行的方法是, 用多腔體的設(shè)計(jì)替代原來的單個(gè)腔體的設(shè)計(jì), 多個(gè)腔體交替完成噴射推進(jìn), 來提高整體的推進(jìn)頻率。同時(shí), 各驅(qū)動(dòng)參數(shù)應(yīng)當(dāng)處在合適的范圍, 采用合適的驅(qū)動(dòng)電壓, 脈沖的寬度以及間隔也能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)性能的優(yōu)化。

3.3 仿生魚類

魚類是迄今為止研究最為廣泛和成熟的仿生水下生物。魚類的運(yùn)動(dòng)方式大致可分為2種: BCF和MPF運(yùn)動(dòng)。

蝠鲼采用MPF運(yùn)動(dòng), 其特有的大型三角形胸鰭占據(jù)了身體的大部分, 運(yùn)動(dòng)時(shí)其胸鰭整體波動(dòng)以產(chǎn)生動(dòng)力。2011年, 美國弗吉尼亞大學(xué)的Chen等[20]受蝠鲼的運(yùn)動(dòng)模式啟發(fā)研究了采用IPMC作為驅(qū)動(dòng)材料的仿生蝠鲼機(jī)器人。該仿生機(jī)器人的一對(duì)胸鰭是由多片長條狀I(lǐng)PMC與聚二甲硅氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)材料無縫粘合而成的膜, 每片胸鰭擁有4片IPMC驅(qū)動(dòng)器, 單片仿生胸鰭長度80 mm, 寬度70 mm(見圖12(a))。IPMC在模具中固定好位置后, 注入PDMS并在室溫下固化, 實(shí)現(xiàn)IPMC與PDMS間的無縫粘合。每片IPMC單獨(dú)控制, 產(chǎn)生不同幅度和相位的運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器人在水下的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人的整體主要包括帶有金電極的丙烯酸框架(見圖12(b)), 框架用于固定一對(duì)胸鰭, 丙烯酸聚合物制成的尾部用于保持運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性, 聚合物泡沫用于提供必要的浮力, 身體中部的盒子用于容納電池以及控制電路(見圖12(c))。該仿生機(jī)器人的主要體長80 mm, 游動(dòng)速度4.2 mm/s (0.052 5 BL/s)。仿生蝠鲼的運(yùn)動(dòng)性能主要與其胸鰭相關(guān), 因此可以通過提高所制作的膜的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能來實(shí)現(xiàn)。首先, 可以通過改進(jìn)IPMC的制造工藝提高其產(chǎn)生的動(dòng)力以及快速響應(yīng)的時(shí)間。其次, 還可通過使用性能更好的柔性材料來提高膜的整體運(yùn)動(dòng)性能。此外, 對(duì)IPMC驅(qū)動(dòng)器的控制也存在著較大的優(yōu)化空間。由此, 整個(gè)仿生胸鰭將更好地模擬真實(shí)的蝠鲼運(yùn)動(dòng)以獲得更高的推力。同時(shí), 改進(jìn)整個(gè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)來模仿蝠鲼的身體可以獲得更好的流體動(dòng)力學(xué)效果, 提升推進(jìn)速度。

圖12 仿生蝠鲼機(jī)器人

浙江大學(xué)的Li等[21]受到蝠鲼胸鰭拍翼運(yùn)動(dòng)的啟發(fā), 于2017年研究了可快速運(yùn)動(dòng)的電子魚。該電子魚將DE作為驅(qū)動(dòng)材料, 以硅膠薄膜為魚鰭, 并且用硅膠框架作為電子魚的柔性身體, 鑲嵌了電磁鐵的魚尾可以在行進(jìn)中對(duì)其進(jìn)行方向控制(見圖13(a))。肌肉層是電子魚的主要結(jié)構(gòu)之一, 其中作為電極的水凝膠薄膜被密封在預(yù)先拉伸的DE膜之間。胸鰭層的硅膠薄膜附著在用作支撐的“L”形框架上。電子魚的身體由模具中的硅膠固化形成。移除模具后預(yù)先拉伸的肌肉皺縮, 牽拉著整個(gè)身體呈彎曲狀。由于采用了柔性且透明的材料, 這使得電子魚在較好模仿蝠鲼運(yùn)動(dòng)機(jī)制的同時(shí)具有良好的隱蔽性(見圖13(b))。未施加電壓時(shí), 其肌肉和身體保持著平衡的彎曲狀態(tài), 當(dāng)施加電壓時(shí), DE膜發(fā)生形變, 處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)(此時(shí)相對(duì)于放松狀態(tài)來說, 身體的彎曲程度減小(見圖13(c))。這就使得在施加周期性的電壓時(shí), 電子魚可以通過魚鰭的拍動(dòng)產(chǎn)生推力進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。該電子魚總長93 mm, 在7 kV電壓和8 Hz頻率下有著85 mm的最小轉(zhuǎn)彎半徑。而且其依靠板載電源可在9.5 kV和5 Hz的條件下達(dá)到64 mm/s 0.69 BL/s)的游動(dòng)速度, 能耗為0.024 W。其速度與能耗與一種小型虹鱒魚相近, 因此其不僅速度快且與生物特性相近。此外, 該電子魚在實(shí)驗(yàn)中能夠適應(yīng)較大范圍溫度變化的水環(huán)境, 表明了其有著相當(dāng)好的環(huán)境適應(yīng)性, 而SMA驅(qū)動(dòng)器對(duì)較大溫度范圍的適應(yīng)是難以實(shí)現(xiàn)的?？偟膩碚f, 該仿生電子魚具有柔性的身體, 良好的運(yùn)動(dòng)性能、隱蔽性和環(huán)境適應(yīng)性。雖然該電子魚采用DE材料作為驅(qū)動(dòng)器與水環(huán)境有著良好的兼容性, 但是其需要的高驅(qū)動(dòng)電壓在一定程度上限制了其在更大水域范圍內(nèi)的應(yīng)用。

多數(shù)魚類采用BCF運(yùn)動(dòng)方式, 包括鰻鱺模式(anguilliform)、鲹科模式(carangi form)、鮪科模式(thunniform)等。

西班牙馬德里理工大學(xué)的Rossi等[22]受魚類紅肌的啟發(fā), 于2011年研究了一種由SMA驅(qū)動(dòng)器生成運(yùn)動(dòng)的仿生機(jī)器魚。魚類的紅色肌肉主要用于在游動(dòng)過程中彎曲魚類身體中那些柔性但幾乎不可壓縮的結(jié)構(gòu), 比如魚骨來產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。該模型中, 將機(jī)器魚的身體分成長度相同的3個(gè)部分, 因此其擁有的自由度足以模仿鲹科模式(caran- giform), 亞鲹科模式(subcarangiform)及鮪科模式(thunniform)的游動(dòng)方式。使用SMA驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)連續(xù)彎曲的柔性結(jié)構(gòu)?？紤]到溫度、抗沖擊性和柔韌性, 機(jī)器魚的主干部分由1 mm厚的聚碳酸酯制成。此外, 采用PVC材料制成肋狀物結(jié)構(gòu)來支撐覆蓋在機(jī)器魚表面的硅基皮膚, 從而得到整體的三維結(jié)構(gòu)(見圖14)。除尾鰭和頭部外, 機(jī)器魚的總長度300 mm, 最大速度可達(dá)114 mm/s (0.38 BL/s), 最小轉(zhuǎn)彎半徑0.5 m。

圖13 柔性電子魚

圖14 仿生機(jī)器魚結(jié)構(gòu)框架

東京工業(yè)大學(xué)的Kamamichi等[23]在2006年研究了一種采用IPMC作為驅(qū)動(dòng)器的仿生蛇形游動(dòng)機(jī)器人(見圖15)。蛇形機(jī)器人采用鰻鱺模式的運(yùn)動(dòng)形式, 通過全身的起伏波動(dòng)來產(chǎn)生推進(jìn)波。該蛇形機(jī)器人由3個(gè)關(guān)節(jié)組成, 其關(guān)節(jié)的框架由苯乙烯泡沫制成。魚鰭附著在每個(gè)框架的底部, 相鄰的關(guān)節(jié)之間由IPMC薄膜相連接。機(jī)器人的整體質(zhì)量為0.6 g, 整長為120 mm, 其游動(dòng)速度為1.8 mm/s(0.015 BL/s)。

圖15 IPMC驅(qū)動(dòng)的蛇形機(jī)器人

除此之外, 美國內(nèi)華達(dá)大學(xué)拉斯維加斯分校Kim教授團(tuán)隊(duì)[24]于2012年研發(fā)了一種基于分布式IPMC驅(qū)動(dòng)的仿生魚鰭, 該魚鰭能夠?qū)崿F(xiàn)彎曲和偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng), 以及仿生魚的上浮和偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。密歇根州立大學(xué)的Tan等[25]在2006年研究了IPMC驅(qū)動(dòng)的自治仿生機(jī)器魚, 其研究主要側(cè)重于控制策略和算法的實(shí)現(xiàn)。2009年, 東北大學(xué)的郝麗娜等[26]以鲹科模式游動(dòng)的魚類為藍(lán)本,研究了采用IPMC驅(qū)動(dòng)的單自由度機(jī)器魚。北京航空航天大學(xué)沈奇等[27]于2014年設(shè)計(jì)了一種IPMC驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)器魚樣機(jī)并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)其推進(jìn)效率進(jìn)行了研究。最近Wen團(tuán)隊(duì)[28]設(shè)計(jì)了一種具有可變形中間鰭的仿生機(jī)器魚并研究了中間鰭的變形對(duì)速度和線性加速度等參數(shù)的影響, 對(duì)仿生機(jī)器魚的發(fā)展提出新的設(shè)計(jì)空間。國內(nèi)一些其他研究機(jī)構(gòu), 如西安交通大學(xué)、河海大學(xué)、南京航空航天大學(xué)以及合肥工業(yè)大學(xué)等, 也開展了相關(guān)研究。

4 不同水下仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)效率分析

由于驅(qū)動(dòng)材料選取不同, 模仿的運(yùn)動(dòng)對(duì)象不同, 文中介紹的以3種不同推進(jìn)方式作為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出的水下仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)均有各自的特點(diǎn)。衡量水下仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能的主要參數(shù)為機(jī)器人的游動(dòng)速度, 為了綜合比較的方便, 結(jié)合了機(jī)器人的尺寸和游動(dòng)速度, 將他們的比值(速度與體長比, 即機(jī)器人每秒游過幾個(gè)體長的距離)來進(jìn)行數(shù)據(jù)比較(見圖16)。

一般來說水母的推進(jìn)方式是較為緩和的, 因此在自然界中其運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較低。但是從圖中可以看出, 通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制參數(shù)的合理選取, 使得體長較小的仿生水母機(jī)器人可達(dá)到相對(duì)較高的速度。采用烏賊噴射推進(jìn)方式的機(jī)器人其體長較大, 其推進(jìn)速度可以達(dá)到一個(gè)較為穩(wěn)定的范圍。由于自然界中魚類的種類繁多,采用的推進(jìn)方式也各有不同, 因此水下仿生機(jī)器人可以模仿的對(duì)象眾多。實(shí)際中水下仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有多種, 包括類似鰻魚、蝠鲼等, 各種設(shè)計(jì)之間運(yùn)動(dòng)參數(shù)以及尺寸參數(shù)靈活性很大, 有很多現(xiàn)有的典型可供參考。

圖16 水下仿生機(jī)器人速度對(duì)比

從圖中可以看出, 采用水母推進(jìn)方式的機(jī)器人相對(duì)采用其他運(yùn)動(dòng)方式的機(jī)器人來說尺寸較小, 但是其相對(duì)的推進(jìn)速度卻可以達(dá)到很高, 因此, 想要設(shè)計(jì)尺寸較小但速度較高的水下機(jī)器人, 采用水母的運(yùn)動(dòng)方式更為可行。仿生烏賊機(jī)器人采用了烏賊噴射推進(jìn)的運(yùn)動(dòng)方式, 其在尺寸與速度相結(jié)合的方面具有一定的優(yōu)勢, 雖然尺寸相比仿生水母機(jī)器人要大一些, 但其推進(jìn)速度達(dá)到了一定理想的水平。綜合來看, 仿生烏賊更適合于短期爆發(fā)性“逃生”, 而不適合于長期“巡游”。水下仿生機(jī)器人由于可模仿的生物種類眾多, 其結(jié)構(gòu)也多樣化, 因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸和運(yùn)動(dòng)速度的范圍都很大, 可以看出, 水下仿生機(jī)器人既可以做到小型化甚至微型化, 亦可在大型化的同時(shí)保證較高的速度。

從驅(qū)動(dòng)材料的角度來看, 仿生水母和仿生烏賊大多采用了形狀記憶合金作為驅(qū)動(dòng)器, 而仿生魚驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)卻涉及了多種材料。因?yàn)榉律负头律鸀踬\都采用了將腔體中水排出產(chǎn)生反作用力的推進(jìn)方式。該方式的推進(jìn)速度和效率與每次驅(qū)動(dòng)從腔體中所排出的水的體積相關(guān), 因此腔體體積變化率增大, 其運(yùn)動(dòng)性能就會(huì)隨之相應(yīng)提升。SMA可以產(chǎn)生大變形及較大的應(yīng)力, 采用這種材料作為驅(qū)動(dòng)器, 可使得腔體體積變化率增大。雖然驅(qū)動(dòng)頻率較低, 但大輸出力使得以SMA作為驅(qū)動(dòng)器的水下機(jī)器人推進(jìn)速度較大。以IPMC作為驅(qū)動(dòng)器的水下機(jī)器人其運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較低, 但是尺寸也更小。如果需要將機(jī)器人小型化甚至是微型化, 可以選擇IPMC作為驅(qū)動(dòng)器。DE材料驅(qū)動(dòng)頻率高, 變形大, 但需要高驅(qū)動(dòng)電壓, 且其需要預(yù)拉伸來發(fā)揮驅(qū)動(dòng)作用, 同時(shí)材料本身較為柔軟, 需要預(yù)設(shè)剛性框架對(duì)其進(jìn)行支撐, 這意味著需要采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來發(fā)揮其性能。壓電材料雖然驅(qū)動(dòng)力大, 頻率高但是變形小, 且需要的驅(qū)動(dòng)電壓很大, 這就限制了其在水下機(jī)器人中的應(yīng)用, 因此目前相關(guān)的應(yīng)用較少。

5 結(jié)束語

文中介紹了水母、烏賊和魚類運(yùn)動(dòng)過程的機(jī)理以及各自運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn), 列舉了采用SMA、IPMC和DE等智能材料的水下仿生機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)以及目前國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀, 并且對(duì)幾種典型的機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較和分析。

不同于以往采用電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì), 將智能材料作為驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于水下仿生機(jī)器人, 不僅使機(jī)器人的結(jié)構(gòu)更加簡化緊湊, 還使機(jī)器人在水下運(yùn)動(dòng)的隱蔽性提高, 可以實(shí)現(xiàn)無聲運(yùn)動(dòng)[26]。國內(nèi)外的相關(guān)研究人員對(duì)各種水生生物的水下運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行了分析并從中得到啟發(fā), 設(shè)計(jì)了多種結(jié)構(gòu)的水下仿生機(jī)器人。同時(shí)得益于智能材料的應(yīng)用, 這兩者的結(jié)合使得水下仿生機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)身體的柔性連續(xù)運(yùn)動(dòng), 更好地模仿水生生物在水下的運(yùn)動(dòng)。雖然智能材料作為驅(qū)動(dòng)器成功應(yīng)用到了水下仿生機(jī)器人中并相對(duì)于傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式來說具有一定優(yōu)點(diǎn), 但是材料本身也存在著一些不可避免的特性影響著驅(qū)動(dòng)的效率, 同時(shí)采用智能材料作為驅(qū)動(dòng)器的機(jī)器人, 其速度、推進(jìn)力等相較于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人來說還有一定的差距[29-30]。

在今后的研究中, 不僅要對(duì)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化, 還要更廣泛地研究水生生物以獲得更具效率的推進(jìn)方式, 同時(shí)要對(duì)推進(jìn)方式進(jìn)行原理上的進(jìn)一步分類, 為未來水下機(jī)器人推進(jìn)方式的選擇提出設(shè)計(jì)指導(dǎo)。建立一個(gè)完善的水下仿生機(jī)器人性能評(píng)價(jià)的體系也很有必要, 包括速度、機(jī)動(dòng)性和能耗等, 這些將為水下仿生機(jī)器人的研究設(shè)計(jì)提供一個(gè)完備的衡量機(jī)制。此外, 除了要從水生生物的推進(jìn)方式獲取靈感, 還要對(duì)其感官、運(yùn)動(dòng)等諸多機(jī)制進(jìn)行深入研究, 如水生生物在水中上浮下潛, 水中的定位和環(huán)境感知等, 國內(nèi)外的學(xué)者已經(jīng)在此方面開展了很多相關(guān)的研究工作[31-33], 期待未來可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水生生物更多功能的模仿與集成。對(duì)于智能材料來說, 不同的材料有著不同的驅(qū)動(dòng)機(jī)理與特點(diǎn), 雖然采用智能材料作為驅(qū)動(dòng)器可以很好的模仿水生生物運(yùn)動(dòng), 但其普遍存在著驅(qū)動(dòng)力小或響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn), 因此一方面要對(duì)智能驅(qū)動(dòng)材料進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化以最大化發(fā)揮現(xiàn)有材料的性能, 另一方面材料本身的研究也非常重要, 期望未來有更好性能的材料得到開發(fā)和應(yīng)用[34]。同時(shí), 結(jié)合材料本身的一些特性, 比如驅(qū)動(dòng)/傳感功能, 通過設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)/傳感一體化的結(jié)構(gòu), 使水下仿生機(jī)器人更加智能化; 依賴于智能驅(qū)動(dòng)材料的機(jī)電轉(zhuǎn)換能力, 也可以開發(fā)能量自給的水下仿生機(jī)器人[35]。

此外, 大多數(shù)水生生物其身體都是柔性的, 其動(dòng)作的產(chǎn)生不僅僅是因?yàn)樘囟▍^(qū)域肌肉及骨骼的運(yùn)動(dòng), 而是全部的身體都參與到運(yùn)動(dòng)中, 因此其整個(gè)身體結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中是連續(xù)的變形體。目前智能材料驅(qū)動(dòng)的大多數(shù)水下仿生機(jī)器人除驅(qū)動(dòng)部分外, 整體結(jié)構(gòu)仍是偏剛性的。為了更好地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人整體連續(xù)柔性的運(yùn)動(dòng), 將來可以通過將柔性結(jié)構(gòu)與軟驅(qū)動(dòng)器相結(jié)合來發(fā)展全柔性的水下仿生機(jī)器人, 這樣可使機(jī)器人更好地模仿水生生物的運(yùn)動(dòng)。

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Progress of Biomimetic Underwater Robot Based on Intelligent Actuating Materials: a Review

WANG Yan-jie1, 2, HAO Mu-yu1, ZHANG Lin1, 2, LUO Min-zhou1, 2

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Hohai University, Changzhou 213022, China; 2. Jiangsu Key Laboratory of Special Robotics Technology, Hohai University, Changzhou 213022, China)

It is one of the current research hotspots of biomimetic underwater robot to study and imitate the motion modes of aquatic animals and apply the intelligent actuating materials to the structure and motion design of a biomimetic underwater robot. Combined with the advantages of aquatic animals and intelligent actuating materials, the biomimetic underwater robot designed with intelligent actuating materials is easier to be miniaturized and higher maneuverability, so it can carry out continuous and flexible movement, and realize complex underwater motion. Compared with the traditional actuating mode, the biomimetic actuating mode has significant advantages. In this paper, the motion mechanisms of several typical aquatic animals are introduced. Comparison of performance specifications, advantages and disadvantages of four typical intelligent materials. The existing biomimetic underwater robots that imitate the propulsion modes of aquatic animals and design with intelligent materials, and their structural features are summarized. The motion efficiency of these robots are analyzed and compared. As a result, some key problems that need to be solved in future development of the biomimetic underwater robots are pointed out.

biomimetic underwater robot; aquatic animal; motion mechanism; intelligent actuating material

TP242; TB381

R

2096-3920(2019)02-0123-11

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.02.002

王延杰, 郝牧宇, 張霖, 等. 基于智能驅(qū)動(dòng)材料的水下仿生機(jī)器人發(fā)展綜述[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2019, 27(2): 123-133.

2018-09-30;

2018-12-15.

國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(51505369); 國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃(91748124); 江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(BE2016055); 江蘇省特種機(jī)器人技術(shù)高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(2017B21114); 常州市基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(CJ20179050).

王延杰(1985-), 男, 副教授, 主要研究方向?yàn)橹悄懿牧吓c結(jié)構(gòu)和軟體機(jī)器人技術(shù).

(責(zé)任編輯: 許 妍)