打破復雜水域探測困境！浙大仿生機器魚登CELL子刊，雙游動模式展現卓越環境適應性，負重54倍穩定前行

文章來源：機器人大講堂。

地球表面71% 被海洋覆蓋，這片孕育生命的藍色疆域不僅蘊藏著海量自然資源，更是調節全球生態的關鍵樞紐。然而，超過 90% 的海洋區域仍處于人類探索的 “盲區”，加之人類活動對海洋環境的影響日益加深，對深海進行低干擾、長時程、高適應性的監測，已成為海洋科學與生態保護的迫切需求。

傳統水下探測設備卻難以突破環境局限：依賴螺旋槳等剛性部件的機器人，雖推力強勁，卻在復雜流場、狹窄空間或脆弱生態區“水土不服”，容易卡在礁石縫隙中。而仿生機器魚憑借柔軟可變形的身體和仿生泳姿展現出優勢，仍面臨游動模式單一、深海極端溫度及非結構化環境適應性差等難題。機器魚既能夠在狹窄空間穩定穿行、又能夠在開闊水域歡快地游動，是仿生機器魚設計的核心挑戰。

而浙江大學研發的這款仿生機器魚，恰恰打破了這一困境。它跳出傳統水下探測裝置的設計框架，通過創新的驅動/變形系統，為復雜海洋環境下的低干擾探測與生態監測，開辟了全新路徑。

這項研究，近期以“Multifunctional robotic fish with post-buckling notched plates”為題發表在了Cell旗下期刊Cell Reports Physical Science上。論文作者包括尹瀟鋒、楊虎嘯、張超、余釗圣、李鐵風、徐彥，共同通訊作者為徐彥教授和李鐵風教授。

▍獨特創新設計，后屈曲缺口板的巧妙應用

研究團隊提出了一種全新的驅動/變形系統，核心是一種稱為“后屈曲缺口板”（PBNP）的創新結構。這種設計模仿了蝠鲼的胸鰭，通過巧妙的機械結構將微小的線性運動轉化為大幅度的鰭片拍動。

系留機器魚設計及工作原理

這個系統的精妙之處在于其簡潔而高效的工作原理。機器魚的身體內裝有一個流體驅動線性致動器（FDLA），它通過真空壓力收縮，拉動連接桿壓縮PBNP的缺口處。這種壓縮會引發PBNP的可逆屈曲變形，就像我們彎曲一張信用卡然后看它彈回原狀一樣，但更加可控和高效。

研究團隊為它建立了專門的理論模型，發現它的變形可以簡化成“從扇形平面到圓錐面的轉變”，只要確定了初始缺口角、安裝半徑等結構參數，就能精準分析得到 “輸入壓縮位移” 和 “輸出彎曲角度” 的關系。

PBNPs的變形能力

為了驗證這個模型，團隊還做了有限元模擬和實物實驗，理論、模擬和實驗結果非常吻合，表明彎曲角度隨收縮位移單調增加，證明了PBNP 變形的可控性。更加實用的是，這個系統具有變形放大特性，僅僅幾毫米的壓縮位移就能產生幾十度的彎曲角度。

此外，PBNP 的變形還能通過結構參數定制。在相同壓縮位移下，安裝半徑越小，彎曲角度越大；初始缺口角越大，彎曲角度也越大。比如安裝半徑從40 毫米縮小到 30 毫米，同樣壓縮 5 毫米，彎曲角度能從 35 度增加到 48 度。不過材料厚度對變形影響不大，卻會影響驅動力和結構剛度，最終研究團隊把厚度定在了 0.6 毫米，兼顧了變形效率和結構穩定性。

機器魚的游動姿態和性能，主要由三個驅動參數精密調控：真空壓力、頻率和占空比（機器魚在一個周期內由真空壓力驅動的時間比例）。

這些參數對胸鰭拍動的直接影響，決定了機器魚的游泳性能。研究發現，提高真空壓力或增加占空比，會使得驅動器的收縮力更大或收縮時間更長，從而導致胸鰭的拍動幅度顯著增大。而驅動頻率的影響則更為有趣和關鍵：在低頻段（0-4 Hz），頻率增加會導致拍動幅度明顯下降；但在高頻段（4 Hz以上），拍動幅度隨頻率的變化會趨于穩定。

驅動參數對胸鰭拍動的影響

▍“撲翼”與“振蕩”雙模式，適應不同環境的智能切換

驅動參數的變化，自然而清晰地將機器魚的游泳行為劃分為了兩種模式：在低頻區，通過調節壓力和占空比可以靈活控制大幅度的拍動，此為“撲翼模式”，適用于快速推進和高效巡航；在高頻區，胸鰭進行小幅度、高頻率的穩定振蕩，此為“振蕩模式”，適用于穩定穿梭和狹窄空間。

如同自然界中的魚類會根據環境調整泳姿—— 這兩種模式的無縫切換，正是其適應復雜場景的核心能力。

撲翼模式：在低頻范圍（0-4 Hz）內，PBNP 能充分彎曲，通過大幅度拍動胸鰭推進（拍動幅度最大可達 60°）。在這種模式下，機器魚表現出色，最快速度可達1.43體長/秒，接近先前報道的采用單向彎曲驅動器的機器魚的最大速度。更重要的是，它的能耗極低，最低運輸成本（CoT）僅為3.3，意味著它能夠高效地進行長距離巡航。

撲翼模式下的游泳性能

觀察發現，在撲翼模式下，機器魚在胸鰭上下拍動后會進入慣性滑行階段，類似于生物魚類中常見的“爆發式滑行”運動模式。這種策略讓它能夠在一個周期內游動兩倍于自身體長的距離，充分利用每次拍動產生的推進力，實現能量節約型巡航。

振蕩模式：在高頻范圍（4 Hz以上），機器魚的胸鰭進行小幅度、高頻率的振蕩。雖然這種模式下的游泳速度（最快0.55體長/秒）和效率均低于撲翼模式，但它有一個獨特優勢，那就是此模式下的游泳姿態更加平坦穩定。

振蕩模式下的游泳表現

在振蕩模式下，機器魚身體的垂直波動小于5.5毫米，僅為其自身厚度的0.17倍，胸鰭的運動幾乎完全限制在身體厚度范圍內。這種低干擾的游泳方式使機器魚能夠在狹窄空間內靈活穿梭，而不會碰撞障礙物。此外，該模式還展現出可觀的有效載荷能力——能夠承載自身重量54倍的浮動負載穩定游動。

▍硬核適應力，極端條件下的挑戰與驗證

為應對復雜的海洋環境，這款機器魚在設計上展現了卓越的環境適應性。

首先是耐極端溫度。由于PBNP 的材料通用性，研究團隊給它換上耐高溫的聚碳酸酯 PBNP 后，它能在 0.6℃的冷水里正常游動，甚至能拍動胸鰭推開浮冰；換成耐溫材料后，又能在 87.2℃的熱水里工作。這個溫度范圍，覆蓋了從極地近海到海底熱泉邊緣的大多數水域。

在運動性能的表現上，這款機器魚展現出強大的能力。在流動的水里，無論是在靜止狀態啟動還是初始后退速度，機器魚都能夠逆水游動，展現出對抗水流的強大推進力；在障礙物應對方面，機器魚展現出兩種與環境障礙物交互的能力：在撲翼模式下可強力擊打障礙物，在振蕩模式下則可輕柔推開障礙物。

此外，機器魚能夠在兩種模式間無縫切換，以應對非結構化環境。實驗中，機器魚使用撲翼模式在寬闊水域快速巡航，然后切換為振蕩模式平穩穿過僅42毫米寬的縫隙。

機器魚的環境適應性

更值得注意的是它的耐久性。研究團隊讓機器魚連續進行了11 萬次胸鰭往復拍動（相當于連續工作 15 小時），之后測試發現，它的推力幾乎沒有下降，游動速度還能保持 15.5 厘米 / 秒。這種高強度工作的能力，讓它能長時間在野外執行監測任務。

▍多功能集成：一機多用的智能平臺

在此基礎上，研究團隊還開發的非系留式機器魚版本，它通過一種高度集成的多功能策略，將驅動、推進、監測與通信等功能完美融合在一個緊湊的便攜包中。

這項設計的精髓在于其創新的驅動策略，機器魚直接使用周圍水體作為驅動介質，不僅大幅提升了系統可靠性，還巧妙省去了復雜的閥門裝置。與此同時，這種液體驅動機制自然而然地催生了混合推進模式：當機器魚將液體向后噴射時，產生的反作用力為其提供了額外的推力，實測使游泳速度提升了23%。結合模仿生物魚的爆發式滑行策略，這條機器魚在實現敏捷運動的同時，還保持了極低的能耗水平，表現優于大多數現有同類產品。

非系留機器魚的多功能集成

更巧妙的是，整個驅動系統同時扮演著環境感知者的角色。由于驅動腔體內的液體在游動過程中持續與周圍環境交換，每一次胸鰭拍動都相當于一次水體采樣。科研人員在腔體內集成了水質傳感器，使得機器魚能夠實時分析所處環境的水質狀況。這些監測數據通過無線模塊即時傳輸到控制中心，而機器魚還具備分配試劑的功能——無論是液體飼料還是水處理劑，都能在游動過程中均勻釋放。這套集驅動、推進、采樣、監測、通信與分配于一體的智能系統，讓機器魚不再僅僅是運動的機器，而是成為了一個能在水產養殖等場景中執行復雜任務的移動工作站。

▍關于未來

后續研究中，進一步優化機器魚的整體體型以減少游動時的水動力阻力，并結合更可靠的聲學通信模塊來擴展檢測信號的傳輸范圍。此外，無系繩機器魚目前缺乏自主導航能力，后續將集成先進的傳感技術，如視覺傳感器或光傳感器，以及改進的控制算法，可以增強其智能和自主性。采用更廣泛的微型水質傳感器（例如pH值和濁度）也將有助于更全面的環境監測。

論文鏈接：

https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(25)00446-1