魔鬼魚通過翼狀胸鰭實現(xiàn)引人注目的振蕩游動，這為設(shè)計潛在的快速、高效且機動性強的軟體游泳機器人提供了豐富的靈感。然而，在單一軟體游動機器人中如何結(jié)合高速、高效率和高機動性，同時只需要簡單的驅(qū)動與控制方式，仍然是一項巨大的挑戰(zhàn)。為應(yīng)對水下復(fù)雜的障礙環(huán)境，對于保持穩(wěn)定的游動姿態(tài)和碰撞時的高韌性也是亟待解決的難題。

近日，北卡州立大學(xué)（NCSU）尹杰團隊聯(lián)合弗吉尼亞大學(xué)（UVA）董海波團隊和Daniel Quinn團隊提出了一種利用單穩(wěn)態(tài)軟體撲翼的自發(fā)彈跳沖程，仿魔鬼魚軟體游動機器人。該單穩(wěn)態(tài)撲翼通過氣動驅(qū)動瞬間完成向下的彈跳沖程，而在放氣后，由彈性恢復(fù)力驅(qū)動，其將自發(fā)快速彈回初始狀態(tài)完成向上的沖程，無需額外能量消耗。這種機制極大地簡化了設(shè)計、驅(qū)動與控制，使得該游動器實現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的高速（6.8體長/秒）、高能效、高機動性及在水下障礙環(huán)境中的高碰撞韌性，僅通過調(diào)節(jié)單一輸入的驅(qū)動頻率即可完成復(fù)雜的水下巡航。

北京時間2024年12月5日，論文以“Spontaneous snapping-induced jet flows for fast, maneuverable surface and underwater soft flapping swimmer”為題，在線發(fā)表在Science Advances上。論文第一作者博士生清海濤（NCSU），其他作者包括博士生郭佳誠（UVA），朱遠航博士（UVA；現(xiàn)任加州大學(xué)河濱分校（UCR）助理教授），赤銀鼎博士（NCSU），洪堯燁博士（NCSU），UVA的董海波教授和Daniel Quinn教授。論文通訊作者為尹杰教授。

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單穩(wěn)態(tài)拍動翼軟體游動器的設(shè)計：實現(xiàn)高速與高機動性

研究團隊基于之前的雙穩(wěn)態(tài)撲翼軟體游動機器人的結(jié)構(gòu)，通過將兩條平行聚酯柔性帶的末端連接，可以自發(fā)形成一對雙穩(wěn)態(tài)的預(yù)彎曲框架翼（圖1A，i-ii）。不同的是，通過熱處理部分釋放撲翼中預(yù)存的彈性應(yīng)變能，使雙穩(wěn)態(tài)撲翼轉(zhuǎn)變?yōu)閱畏€(wěn)態(tài)（圖1A，ii-iii）。因此，為驅(qū)動單穩(wěn)態(tài)翼的拍動，僅需一個軟體氣動彎曲驅(qū)動器作為主體，其頂部嵌有單層氣道，如圖1A(i)所示。圖1B和圖1C展示了雙穩(wěn)態(tài)與單穩(wěn)態(tài)撲翼軟體游動機器人在驅(qū)動行為上的顯著差異。對于熱處理前后的雙穩(wěn)態(tài)和單穩(wěn)態(tài)翼，其初始凹形構(gòu)型均表示一個穩(wěn)定狀態(tài)。充氣驅(qū)動氣道膨脹使軟體主體向下彎曲，推動翼發(fā)生快速突跳并完成向下沖程。對于雙穩(wěn)態(tài)翼，在放氣甚至在負壓作用下，撲翼會保持在凸形構(gòu)型（圖1B）。除非在撲翼的底部增加另一層氣道（如我們之前的雙穩(wěn)態(tài)拍動翼游動器設(shè)計所示），否則無法驅(qū)動其彈回到初始構(gòu)型。相比之下，對于單穩(wěn)態(tài)撲翼，在放氣后，撲翼會自發(fā)快速彈回并完成向上的沖程，回到其唯一的穩(wěn)定狀態(tài)，這是由彈性恢復(fù)力驅(qū)動的（圖1C）。這種差異源于：在雙穩(wěn)態(tài)翼中，凸形構(gòu)型對應(yīng)于第二個穩(wěn)定狀態(tài)，而在單穩(wěn)態(tài)翼中，凸形構(gòu)型則是一個不穩(wěn)定狀態(tài)。單穩(wěn)態(tài)設(shè)計中的自發(fā)快速彈回帶來了許多雙穩(wěn)態(tài)設(shè)計無法實現(xiàn)的優(yōu)勢和獨特的游動能力，因此，單穩(wěn)態(tài)設(shè)計在低驅(qū)動頻率1.67 Hz下即可實現(xiàn)6.8體長/秒的高速游動，比雙穩(wěn)態(tài)設(shè)計速度快近2倍，同時保持高能效，且能耗降低了1.6倍。該速度是最快高頻尾拍游動機器人Tunabot（4.0體長/秒，尾拍頻率15 Hz）的1.7倍以上，也顯著快于其他游動機器人，甚至可與快速游動的北大西洋鮭魚相媲美。而且，相較于之前提出的雙穩(wěn)態(tài)游動機器人，單穩(wěn)態(tài)設(shè)計展現(xiàn)了額外的能力，包括負載運輸、高機動性（通過調(diào)節(jié)驅(qū)動頻率調(diào)控浮力，在不同深度游動并穿越水下障礙物），以及在撞擊障礙物后仍能穩(wěn)定游動的抗碰撞性能（圖1E）。

圖1. 單穩(wěn)態(tài)拍動翼軟體游動器的示意設(shè)計與制造。

高速且高能效的單穩(wěn)態(tài)撲翼游動機器人

圖2A和圖3A分別展示了單穩(wěn)態(tài)撲翼機器人在水面附近進行自由游動（側(cè)視圖）和原地游動（等距視圖）時的時間序列步態(tài)變化，這些變化對應(yīng)一次驅(qū)動周期內(nèi)的向下沖程和向上回彈恢復(fù)。在充氣過程中，軟體主體向下彎曲，逐步驅(qū)動撲翼逆時針旋轉(zhuǎn)并完成向下沖程。隨后，通過快速的自發(fā)彈跳，在短短21毫秒內(nèi)實現(xiàn)了下沖加速（圖2A-2B及圖3A-3C），推動游動器前進。而在卸壓后，機翼迅速自發(fā)彈回到初始構(gòu)型，完成向上沖程以提供進一步的推進。回彈過程持續(xù)約36毫秒。翼尖的軌跡呈現(xiàn)出高度不對稱的三維“8”字形（圖3B），而軟體主體則表現(xiàn)為二維彎曲運動（圖3C），表明彈跳和回彈運動中存在顯著的變形與運動不對稱性。這一現(xiàn)象與雙穩(wěn)態(tài)游動機器人中觀察到的對稱“8”字形軌跡形成鮮明對比。因此，翼尖的運動表現(xiàn)出不對稱的方波形態(tài)，而非雙穩(wěn)態(tài)游動機器人及其他仿魔鬼魚推進器和游動機器人的正弦波形，這種方波運動進一步增強了推力。游動過程中，由于軟體主體的波動，攻角變化呈現(xiàn)出正弦模式（圖2C）。

圖2. 單穩(wěn)態(tài)撲翼機器人的游動表現(xiàn)。

圖3. 固定尾部的單穩(wěn)態(tài)軟體撲翼游動機器人在氣-水界面上的拍動和旋轉(zhuǎn)運動。

單穩(wěn)態(tài)引起的流體動力學(xué)用于實現(xiàn)高速和高效能

為了更好地理解觀察到的高速和高效單穩(wěn)態(tài)游動機器人的潛在機制，我們結(jié)合了粒子圖像測速（PIV）實驗和計算流體力學(xué)（CFD）模擬，揭示了單穩(wěn)態(tài)撲翼游動機器人的拍動不穩(wěn)定性引起的推力生成機制，這是之前關(guān)于雙穩(wěn)態(tài)撲翼設(shè)計的研究中未曾探索過的。圖4中的實驗和模擬結(jié)果揭示了其推力生成機制。軟體游動機器人在快遞跳變瞬間（圖4A和圖4D）和快速彈回瞬間（圖4B和圖4E）拍動過程中分別產(chǎn)生一對逆向旋渦。這些旋渦偶極及其產(chǎn)生的噴流負責(zé)推力的生成。在平均尾流速度圖（圖4C和圖4F）中，可以更清楚地捕捉到分叉的瞬間噴流。在拍動翅膀快遞跳變時，正前緣旋渦（LEV）與釋放出的正后緣旋渦（TEV）相結(jié)合，形成更強的TEV偶極，因此產(chǎn)生更強的噴流。然而，在快遞彈回過程中并未觀察到這種旋渦合并機制。因此，與快速彈回相比，快速跳變產(chǎn)生了更強的噴流和更大的推力。圖4G-4K展示了快速跳變和快速彈回運動的三維尾流形成，并標(biāo)出了關(guān)鍵旋渦。根據(jù)圖4A-4E中的旋渦偶極，它們對應(yīng)著強噴流，并且這些旋渦偶極被發(fā)現(xiàn)集中在機翼尖端區(qū)域。這些翼尖偶極是在快速跳變和快速彈回之后形成的，并伴隨著高動量的快速跳變和快速彈回噴流，如圖4K所示。這些噴流在翼尖附近形成強且集中的流動。此外，尾部旋渦環(huán)被發(fā)現(xiàn)形成在鰭的尾端附近。這些旋渦形成半環(huán)形，如圖4G和圖4I所示，并能在其中心誘導(dǎo)高動量流動，從而形成尾部噴流，如圖4K所示。在平均尾流速度圖（圖4K）中，另一個具有顯著流向動量的區(qū)域出現(xiàn)在鰭下方。該高動量區(qū)域的翼尖截面被捕捉在圖4C和圖4F中，這對應(yīng)于瞬回運動過程中前緣旋渦（LEV）的形成。快速的拍動運動導(dǎo)致流體在鰭的前緣處形成環(huán)流，隨后脫離并沿鰭的底面滾動，如圖4A-4E和圖4G-4J所示。由于LEV的存在，流體的環(huán)流增加，可能會從上游吸引流體，從而誘導(dǎo)下游快速流動。體部旋渦（圖4H）以及一對尾部旋渦（圖4I）的相互作用產(chǎn)生了朝前的流動，導(dǎo)致體后沒有噴流形成。

圖4. 單穩(wěn)態(tài)引起的流體動力學(xué)在單穩(wěn)態(tài)撲翼游動機器人中的應(yīng)用。

通過水下障礙的穩(wěn)定巡航

這款軟體游泳機器人通過簡單調(diào)整單輸入驅(qū)動頻率，展示了多模態(tài)的靈活游泳模式（見圖5A）。在較高頻率f=1.43Hz下，它能夠迅速從水底游到水面，并在到達水面后穩(wěn)定地過渡到快速的表面游泳模式，如圖5A中的時間推移圖所示，軌跡見圖5B。隨著頻率略微降低（如 f=1.25Hz），它逐漸從水底上升至某一深度，并轉(zhuǎn)變?yōu)檠埠接斡灸Ｊ剑▓D5A，ii和圖6B）。通過進一步降低驅(qū)動頻率，例如 f=1.11Hz（圖5A，iii和圖5B），巡航深度可以繼續(xù)減小。圖5B中的游泳軌跡顯示，隨著頻率的降低，上升角度（大致為斜率）也逐漸減小，直到 f=1Hz 時趨近于零。在 f=1Hz 時，它過渡到穩(wěn)定的底部爬行模式，盡管其擺動的翅膀與水底表面存在相互作用（圖5A，iv和圖5B）。圖5C顯示了水平方向游泳距離隨時間變化的情況。與在表面游動類似，隨著驅(qū)動頻率增加，平均的水下游泳速度（圖5C中的斜率）也增加，這主要是因為更高頻率下產(chǎn)生了更強的推力和升力。進一步探討了其在游泳過程中攜帶負重的能力。圖5D顯示，在較高頻率 f=1.43Hz 下，即使攜帶自重約2.2克的負載，軟體游泳機器人仍然能夠迅速游泳并從水底上升至水面。

該軟體游泳機器人具備在不同深度的多模態(tài)表面和水下游泳能力，能夠通過簡單調(diào)節(jié)單輸入驅(qū)動頻率，在復(fù)雜的無結(jié)構(gòu)水下環(huán)境中進行導(dǎo)航，甚至能有效避開障礙物（見圖6A，i）。軟體游泳機器人的上下運動通過平衡三個垂直力來實現(xiàn)：自重、浮力和升力。在操控過程中，體重保持恒定。浮力隨著翼鰭在擺動過程中氣囊的充氣而增加（見圖2A）。升力也在拍擊過程中增大，因為向下偏轉(zhuǎn)的快拍噴流比向上偏轉(zhuǎn)的回彈噴流更強（見圖4C和圖4F）。這種噴流強度的差異可能導(dǎo)致了頻率依賴的升力。因此，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動頻率可以實現(xiàn)受控的垂直操控。圖6B顯示了在操控過程中角度變化的對應(yīng)關(guān)系。在 f=1.43Hz 時，浮力和升力的總和超過了體重，軟性游泳機器人經(jīng)歷了正的垂直力，導(dǎo)致其上升（0 < t < 5秒）。當(dāng)頻率降低至 f=1Hz 時，機器人的升力減小，導(dǎo)致其由于重力開始下沉（5秒 < t < 11秒）。最后，當(dāng)頻率再次調(diào)回 f=1.43Hz 時，我們觀察到機器人再次上升（t > 11秒）。

圖5. 通過驅(qū)動頻率調(diào)節(jié)軟體撲翼游泳機器人在不同深度下的游泳。

圖6. 通過簡單的水下垂直障礙課程進行導(dǎo)航，具有較高的抗碰撞能力。

無纜軟體游泳機器人的概念驗證設(shè)計與戶外游泳性能展示

圖7A展示了對應(yīng)的無纜設(shè)計的示意圖，其中包含一個泡沫貨艙，貨艙內(nèi)集成了電路板、電池和氣泵，安裝在軟體游泳機器人的后方。圖7B展示了該無纜單元的構(gòu)成（電路板、電池和氣泵）。為了提高操作效率，我們略微增大了氣動軟彎曲驅(qū)動器的尺寸、翼展長度和軟帶寬。圖7C顯示了軟體游泳機器人在戶外池塘中進行無人游泳時圖像。

圖7. 概念驗證型無纜軟體撲翼游泳機器人的設(shè)計與游泳性能。

展望

在這項工作中，我們展示了如何利用單穩(wěn)態(tài)撲翼的自發(fā)彈回，為仿魔鬼魚的軟體撲翼游泳機器人實現(xiàn)前所未有的能力，包括在低能耗下的創(chuàng)紀(jì)錄游泳速度、多模式的水面和水下游泳模式、高機動性以及在非結(jié)構(gòu)化水下環(huán)境中的碰撞韌性，以及在擾動下的穩(wěn)定游泳。與雙穩(wěn)態(tài)相比，單穩(wěn)態(tài)可以大大簡化設(shè)計、驅(qū)動和控制，從而在各種單穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生快速且強大的周期性運動，這些結(jié)構(gòu)可能廣泛應(yīng)用于空中、陸地和水下的快速和高效運動，或在軟體機器人中的多模式應(yīng)用。

論文信息：

H. Qing, J. Guo, Y. Zhu, Y. Chi, Y. Hong, D. Quinn, H. Dong, J. Yin, “Spontaneous snapping-induced jet flows for fast, maneuverable surface and underwater soft flapping swimmer”, Science Advances; 10, eadq4222 (2024), 10.1126/sciadv.adq4222