生物流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其仿生

郝 歆， 王影杰， 劉思佳， 金 苗， 馬文星, 任 雷， 劉春寶

(1.吉林大學(xué) 機(jī)械與航空航天工程學(xué)院， 吉林 長春 130022；2.吉林大學(xué) 工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長春 130022； 3.曼徹斯特大學(xué) 機(jī)械航天和土木工程學(xué)院，英國 曼徹斯特)

引言

從細(xì)胞分裂和深海中自衛(wèi)防御到節(jié)肢動(dòng)物的快速運(yùn)動(dòng)，這些生物機(jī)理可以簡(jiǎn)單地描述為利用流體壓力變化在密封空間中提供動(dòng)力傳遞，這實(shí)際上是帕斯卡定律和液壓的基礎(chǔ)原理。許多生物體在體內(nèi)或體外使用加壓液體來傳遞能量，擁有生物流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。如蜘蛛部分關(guān)節(jié)使用液壓而不是肌肉來伸展步足[1]，海星使用一種叫做水管系的系統(tǒng)和管足來移動(dòng)[2]。此外，軟體動(dòng)物、腔腸動(dòng)物、脊索動(dòng)物、蠕蟲和一些昆蟲幼蟲也利用流體驅(qū)動(dòng)。依靠自然選擇， 生物流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)化為高性能模式。

流體驅(qū)動(dòng)是一項(xiàng)重要的工業(yè)技術(shù)，具有功率密度比大、輸出力和轉(zhuǎn)矩大、動(dòng)態(tài)特性好、布置靈活、控制方式多樣化等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。這項(xiàng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于機(jī)器人，如Atlas[5]、HyQ[6]和下肢外骨骼[7]。但目前的流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、響應(yīng)時(shí)間長、噪音大等問題。盡管機(jī)器人的泵、閥、缸等元件已經(jīng)很緊湊和輕質(zhì)，但仍然存在高能耗、低效率、體積和重量大等問題，流體驅(qū)動(dòng)機(jī)器人尚有無限潛力。因此，有必要研究如何結(jié)合新技術(shù)、新理論、新方法來提高流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)力，并將其應(yīng)用拓展到新的應(yīng)用領(lǐng)域。

自然界流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用很低的內(nèi)部壓力實(shí)現(xiàn)了高效的驅(qū)動(dòng)，對(duì)其開展仿生研究可為傳統(tǒng)流體驅(qū)動(dòng)的高效率與功率質(zhì)量比、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制、穩(wěn)定性、可靠性、環(huán)境友好性等方面的進(jìn)一步優(yōu)化提供參考。因此，以生物流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為仿生模型，發(fā)現(xiàn)解決流體驅(qū)動(dòng)問題和挑戰(zhàn)的新思路和新方法，為解決技術(shù)瓶頸提供重要的啟發(fā)，并有助于開發(fā)一種新型的仿生流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

1 生物流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的種類

生物流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可用于多種運(yùn)動(dòng)方式，如多足步行、蠕動(dòng)爬行、噴射推進(jìn)、洞穴挖掘等。這些生物驅(qū)動(dòng)原理與許多肌肉驅(qū)動(dòng)的生物體及仿生機(jī)器人完全不同。具體討論幾種典型的擁有流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)物，以闡明獨(dú)特的生物流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)生物功能，其流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理如圖1所示。

1.1 蜘蛛液壓關(guān)節(jié)步足行走

蜘蛛是典型的節(jié)肢動(dòng)物，步足的7個(gè)關(guān)節(jié)中脛節(jié)-跗節(jié)和腿節(jié)-膝節(jié)關(guān)節(jié)是液壓關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)中沒有伸肌，關(guān)節(jié)膜內(nèi)充滿液體，通過流體驅(qū)動(dòng)力產(chǎn)生扭矩，使得關(guān)節(jié)伸展[8]。

蜘蛛的循環(huán)系統(tǒng)由血淋巴血管系統(tǒng)、復(fù)雜的腔和腔隙、中央泵送器官、心臟和動(dòng)脈組成。傳動(dòng)壓力的來源主要為前體，在關(guān)節(jié)伸展時(shí)，前體背腹肌肉收縮，血淋巴被壓縮進(jìn)入步足中[9]。腔隙是血淋巴快速傳輸?shù)耐ǖ溃陉P(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，肌肉、動(dòng)脈、神經(jīng)和外骨骼之間的腔隙用來傳輸血淋巴到關(guān)節(jié)處或更遠(yuǎn)的步足節(jié)段[10]，如圖1a所示。蜘蛛身體和步足的壓力分布是循環(huán)所必需的，步足血淋巴壓力略高于前體，前體血淋巴壓力略高于后體，但差異不大[11]，靜止與行走狀態(tài)的壓力有明顯差異。

圖1 生物流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖

蜘蛛行動(dòng)迅速[12-13]，存在著高度的智能化，運(yùn)動(dòng)感知、實(shí)時(shí)反饋、快速控制來實(shí)現(xiàn)不同介質(zhì)環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)。作為尚未被徹底研究的智能閉環(huán)流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，蜘蛛的生物流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組織良好，控制精確，并具有快速調(diào)整以允許移動(dòng)的能力，具有實(shí)時(shí)模式和理想模式之間的快速切換機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)高效傳輸和移動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)最低的能耗和最大的功能輸出。

1.2 蚯蚓靜水骨骼蠕動(dòng)爬行

蚯蚓是典型的軟體動(dòng)物，依靠帶有充液腔的靜水骨骼來支撐身體[14]。靜水骨骼以具有一定壓力的液體實(shí)現(xiàn)硬骨骼的支撐作用，具有支撐身體結(jié)構(gòu)與進(jìn)行柔性動(dòng)作和輸出力的能力。這些靜水骨骼通常由環(huán)形肌和縱向肌組成圓柱形的身體。

蚯蚓有一個(gè)清晰的分段結(jié)構(gòu)，稱為異界。每個(gè)節(jié)段都由隔膜隔開，有自己的離散充液腔，每個(gè)充液腔中包含了不可壓縮液體。如圖1b所示[15]，蚯蚓的身體起著蠕動(dòng)泵的作用，體液的體積不變，縱向肌肉的收縮會(huì)縮短其身體長度并增加其徑向直徑，而環(huán)狀肌肉的收縮會(huì)減小其徑向直徑并延長其身體長度[16]。蚯蚓通過利用其肌肉產(chǎn)生的收縮和擴(kuò)張產(chǎn)生一種蠕動(dòng)波，從尾部移動(dòng)到頭部，用于移動(dòng)和挖洞，這一過程類似于腸道的蠕動(dòng)。

與硬的骨骼動(dòng)物相比，擁有靜水骨骼的蚯蚓在運(yùn)動(dòng)時(shí)沒有剛性的關(guān)節(jié)角度變化，只是身體局部的尺寸有變化，可以用很少的肌肉實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)自如。流線柔軟的圓柱形身體使蚯蚓有一個(gè)緩沖機(jī)制，保護(hù)內(nèi)部器官以免受到?jīng)_撞，可以通過狹小的通道和更有效地逃跑、隱藏自己。

1.3 魷魚肌肉性靜水骨骼噴射推進(jìn)

海洋動(dòng)物和陸生動(dòng)物驅(qū)動(dòng)機(jī)制存在明顯的差異，陸地動(dòng)物的機(jī)制表現(xiàn)為利用體內(nèi)的壓力變化，工作介質(zhì)是體液。而海洋動(dòng)物的機(jī)制主要以噴射推進(jìn)為基礎(chǔ)，其工作介質(zhì)往往是周圍的水。

魷魚是自然界中最常見的噴射推進(jìn)器，魷魚采用肌肉性靜水骨骼和一個(gè)大的充液腔來實(shí)現(xiàn)噴射推進(jìn)，迅速實(shí)現(xiàn)高加速度[17]。魷魚外套膜由一圈環(huán)狀肌和連接內(nèi)外被膜的縱向肌組成，外套膜自然圍成一個(gè)充液腔——外套腔。如圖1c所示[18]，在噴射之前，噴口閉合，縱向肌收縮，外套膜變薄、膨脹，在外套腔內(nèi)形成負(fù)壓，水流進(jìn)入外套腔而實(shí)現(xiàn)充水。外套腔內(nèi)充滿水后，噴口張開，環(huán)狀肌收縮，外套膜變厚，直徑縮小，將外套腔內(nèi)的水噴出，使魷魚受到與水流方向相反的作用力，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)[19]。

魷魚對(duì)比普通魚類，即使在噴射速度小于周圍流體速度時(shí)，噴射推進(jìn)也能產(chǎn)生推力。通過以較低的速度噴射較大質(zhì)量的液體，從而獲得較高的推進(jìn)效率[20]；且頻率較低，推進(jìn)噪聲極小。

1.4 雙殼動(dòng)物雙錨系統(tǒng)洞穴挖掘

雙殼類動(dòng)物依靠殼的開閉與腹部的射流推進(jìn)實(shí)現(xiàn)緩慢運(yùn)動(dòng)。而當(dāng)雙殼類動(dòng)物穴居時(shí)，足部的充液腔在利用雙錨系統(tǒng)挖掘洞穴中起著重要作用[21-24]。

如圖1d所示，雙殼動(dòng)物在挖洞時(shí)，當(dāng)足探測(cè)和延伸時(shí)，打開的外殼起到錨的作用，而當(dāng)外殼閉合向下拉入沉積物時(shí)，膨脹的足起到錨的作用。雙殼動(dòng)物主要有2個(gè)獨(dú)立的充液腔:血腔和外套腔。外殼當(dāng)錨時(shí)，雙殼打開，虹吸管閉合，足部橫向肌的收縮完成足部伸展。足部當(dāng)錨時(shí)，內(nèi)收肌收縮，血液進(jìn)入足部的血腔，高壓力導(dǎo)致了典型的球根狀足部，這確保了足部作為一個(gè)安全的錨，在足部收縮肌縮回時(shí)，將外殼向下拉；外殼閉合，外套腔中壓力產(chǎn)生強(qiáng)大的水流，流體噴出通過松開鄰近的沙子來幫助外殼的運(yùn)動(dòng)。這種雙錨系統(tǒng)也描述了許多軟體穴居動(dòng)物的行為[25]。

2 生物流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特征

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

工程液壓系統(tǒng)主要由液壓泵(動(dòng)力元件)、液壓缸/液壓馬達(dá)(執(zhí)行元件)、液壓閥(控制元件)、油箱/蓄能器/過濾器/管道和熱交換器(輔助元件)等組成。根據(jù)不同種類生物流體驅(qū)動(dòng)機(jī)理，推斷出生物流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的存在需要3個(gè)必要的特征：動(dòng)力源、腔體和工作介質(zhì)。動(dòng)力源類似于液壓泵，腔體類似于液壓缸，工作介質(zhì)類似于液壓油。這一概念與流體驅(qū)動(dòng)人工肌肉相似，后者包含可壓縮骨骼、柔韌皮膚和流體介質(zhì)[26]。

生物流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力源始終是肌肉。肌肉組織是精心安排的，以便可以控制腔體的直徑和長度。充液腔常見的肌纖維方向包括環(huán)狀肌、徑向肌和橫向肌[27]。此外，許多充液腔的壁是由結(jié)締組織纖維層加強(qiáng)的，這些纖維層可以控制和限制形狀變化[28]。環(huán)狀肌、徑向肌和橫向肌的收縮會(huì)使直徑減小，從而增加壓力，導(dǎo)致長度的增加。延伸后，縱向肌收縮，直徑再次擴(kuò)大，從而使環(huán)狀肌、徑向肌和橫向肌再次伸長，從而導(dǎo)致縮短。因此，縱向肌和環(huán)狀肌、徑向肌和橫向肌以類似于節(jié)肢動(dòng)物或脊椎動(dòng)物關(guān)節(jié)兩側(cè)肌肉的方式起拮抗作用。

工作介質(zhì)可包括血液、細(xì)胞內(nèi)液或海水。通過工作介質(zhì)，可以在生物體內(nèi)產(chǎn)生流體傳動(dòng)，如圖2所示，分別為貽貝中海水三維速度剖面的體內(nèi)循環(huán)和外部循環(huán)[29]，水母游泳時(shí)外部壓力的變化[30]，蜘蛛步足內(nèi)液體的流動(dòng)[31]。液體工作介質(zhì)具有不可壓縮性。

圖2 工作介質(zhì)流動(dòng)分布圖

腔體是流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重要標(biāo)志。主要包括5種類型：節(jié)肢動(dòng)物步足肌肉和血管包圍的腔體，稱為腔隙；昆蟲幼蟲的多功能器官消化腔，稱為腸管；頭足類、腹足類、雙殼類動(dòng)物中包含的外套腔；其他軟體動(dòng)物，稱為體腔或血腔；海洋動(dòng)物的胃血管腔。封閉腔如體腔，體積沒有變化，一個(gè)方向伸長，必然有其他方向縮短。非封閉腔如外套腔，隨著工作介質(zhì)體積的變化，腔體體積可能發(fā)生改變。

2.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

生物體必須獲得最大的能量效率和最小的能量消耗才能生存，身體結(jié)構(gòu)具有典型的輕量化特點(diǎn)，通常采用低壓產(chǎn)生高功率輸出。在生物流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，肌肉力壓縮腔體，使其變形。腔內(nèi)的工作介質(zhì)將力傳遞到另一側(cè)，產(chǎn)生變形并傳遞力。在此過程中動(dòng)力的產(chǎn)生和傳遞是由肌肉、腔的大變形耦合在一起的。這一過程類似于工程液壓系統(tǒng)中液壓泵和執(zhí)行元件的耦合效應(yīng)。這種柔性驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)一體化集成提供了高效的能量轉(zhuǎn)化與傳遞。

工程液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)是液壓油，傳動(dòng)性能要求其比黏度和抗氧化能力，有極低的降解率，因此液壓油泄漏會(huì)造成環(huán)境污染，工程液壓系統(tǒng)還會(huì)因?yàn)橐簤罕萌莘e交替時(shí)的壓力脈動(dòng)產(chǎn)生一種獨(dú)特的流體噪聲，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。生物體能夠通過進(jìn)食從環(huán)境中獲取能量，且一個(gè)生物體可以持續(xù)進(jìn)行日常活動(dòng)，而無需補(bǔ)充能量(進(jìn)食)數(shù)天。同時(shí)在生物流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，生物體利用體液或體外的水作為工作介質(zhì)，來自自然，不會(huì)產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，既環(huán)保又廉價(jià)。運(yùn)動(dòng)過程中，頻率不高，往往噪音極小，充分體現(xiàn)環(huán)境友好性。

3 生物驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)的仿生應(yīng)用現(xiàn)狀

自然系統(tǒng)是技術(shù)創(chuàng)新和工程創(chuàng)造的靈感源泉。在生物流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)了許多有價(jià)值的功能，揭示生物流體驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)、能量轉(zhuǎn)換的內(nèi)在機(jī)理和規(guī)律，進(jìn)而推動(dòng)新概念、新思想的發(fā)現(xiàn)和仿生設(shè)計(jì)的創(chuàng)造。

圖3 常見氣動(dòng)與液動(dòng)仿生柔性機(jī)器人

由于受到能源、動(dòng)力、材料和制造方式的限制，現(xiàn)代機(jī)器人缺乏驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)、傳感和儲(chǔ)能等功能的集成，因此無法復(fù)制它們的效率和自主性。軟材料具有剛度小、柔順性高等特點(diǎn)[35]，可在大范圍內(nèi)任意改變自身形狀、尺寸，使軟體機(jī)器人擁有更安全的人機(jī)交互方式和自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)，但在自主和無約束運(yùn)動(dòng)中，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)、速度和便攜之間的性能權(quán)衡，仍然存在重大挑戰(zhàn)。

2016年，哈佛大學(xué)的研究人員成功研制出了一款全柔性的Octobot機(jī)器人，如圖4a所示，是首例完全由柔性材料組成的自主、無約束仿生章魚機(jī)器人。該機(jī)器人由微流體邏輯控制，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)流體流動(dòng)。燃料分解產(chǎn)生的氣體使流體通道膨脹，從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)。流體和彈性體結(jié)構(gòu)為完全柔軟、自主的機(jī)器人奠定了基礎(chǔ)[36]。2019年，AUBIN C A等[37]將驅(qū)動(dòng)、液壓動(dòng)力傳輸和能量存儲(chǔ)功能嵌入到無約束的水生軟機(jī)器人中，提高未來機(jī)器人的自主性、效率和多功能性，如圖4b所示。

圖4 其他流體仿生柔性機(jī)器人

2021年，浙江大學(xué)李鐵風(fēng)教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種用于深海探索的自主軟機(jī)器人，如圖4c所示，該機(jī)器人將動(dòng)力、控制和驅(qū)動(dòng)在柔性基質(zhì)中集成，機(jī)器人在馬里亞納海溝深度達(dá)到10900 m，在中國南海3224 m深的地方自由游泳，實(shí)現(xiàn)了在極端條件下設(shè)計(jì)柔軟、輕便設(shè)備的潛力[38]。2021年，浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)依據(jù)蜘蛛心臟利用管狀心臟將血淋巴泵到足部，從而驅(qū)動(dòng)足部關(guān)節(jié)伸展機(jī)理，開發(fā)了一類完全軟電子泵，證明軟泵作為自由軟機(jī)器人通用電源的廣闊潛力，如圖4d所示[39]。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一類軟體電動(dòng)流體驅(qū)動(dòng)器(SEFAs)，直接將電能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)器的機(jī)械能，通過電響應(yīng)流體驅(qū)動(dòng)外部彈性體變形，如圖4e所示。SEFAs在便攜性、可控性、驅(qū)動(dòng)性、通用性、安全性和快速響應(yīng)等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能[40]。仿生物系統(tǒng)的集成性和自主特性，為柔性機(jī)器人領(lǐng)域帶來了革命性的變化，擁有更安全的人機(jī)交互方式和無約束運(yùn)動(dòng)能力。

4 仿生研究的發(fā)展趨勢(shì)

隨著仿生學(xué)科熱度越來越高，仿生機(jī)器人從單純的結(jié)構(gòu)仿生[41]，發(fā)展到功能仿生[42]、功能表面仿生，再到如今進(jìn)一步發(fā)展到感知仿生、智能仿生?；谏飳W(xué)原理，仿生機(jī)器人集成力覺、觸覺、視覺、嗅覺、聽覺等感知系統(tǒng)，獨(dú)立完成信息感知-信號(hào)傳遞-信息處理，可實(shí)現(xiàn)仿生感知、人機(jī)交互系統(tǒng)與智能控制原理的有機(jī)結(jié)合。

4.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)環(huán)境友好化

(1) 驅(qū)動(dòng)效率高：利用體內(nèi)或體外的液體來進(jìn)行各種活動(dòng)，通常采用低壓產(chǎn)生高功率輸出，實(shí)現(xiàn)低速但高效的驅(qū)動(dòng)模式；

(2) 無污染：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所采用的工作介質(zhì)與生活環(huán)境中的工作介質(zhì)相同，如用過濾后的淡水或海水代替礦物油作為系統(tǒng)工作介質(zhì)。因此， 系統(tǒng)在工作介質(zhì)的排放過程中不會(huì)污染環(huán)境，而是會(huì)使介質(zhì)回到原來的環(huán)境中。

4.2 柔性驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)集成一體化

(1) 肌肉和流體之間的相互作用對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力起著決定性的作用。相互作用過程中涉及的結(jié)構(gòu)、材料、密封、振動(dòng)、噪聲抑制機(jī)制等方面的研究，對(duì)于不同的工程需要，都是值得深入研究的課題。

(2) 驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)、控制一體化是仿生機(jī)器人的不斷追求。隨著仿生學(xué)、智能制造、智能材料的不斷發(fā)展，這種集成技術(shù)可以通過新的制造方法將柔性驅(qū)動(dòng)器，柔性閥、柔性傳感系統(tǒng)和流體集成在一起，使系統(tǒng)具有體積小、重量輕、能耗低、可靠性高和智能化的特點(diǎn)。

4.3 智能化和高性能化

擁有智能自主系統(tǒng)的機(jī)器人是航空航天、軍事、醫(yī)療和工業(yè)發(fā)展的不斷需求。如圖5所示[43]，利用柔性驅(qū)動(dòng)器、柔性傳感器、柔性泵、柔性閥和信息處理與控制等進(jìn)行智能化機(jī)器人系統(tǒng)集成。尤其是仿生柔性機(jī)器人涉及到仿生學(xué)、材料學(xué)、機(jī)械和力學(xué)等多學(xué)科交叉，以及仿生設(shè)計(jì)、智能制造、材料、電子、傳感、能源、多模態(tài)動(dòng)作和智能控制等技術(shù)融合，向高性能和智能化方向不斷發(fā)展。

圖5 機(jī)器人的融合與發(fā)展

5 結(jié)論

本研究綜述了典型的流體驅(qū)動(dòng)的生物和運(yùn)動(dòng)原理，總結(jié)了生物流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在的3個(gè)基本特征，即動(dòng)力源、腔體和工作介質(zhì)。同時(shí)總結(jié)了生物流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合特征和特點(diǎn)討論了流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿生應(yīng)用，并總結(jié)和探討了仿生生物柔性機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)環(huán)境友好化和柔性驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)集成一體化的自主性趨勢(shì)，為仿生物機(jī)器人發(fā)展的提供新方向和新思路。