BCF推進模式仿生機器魚的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

王揚威，于 凱，閆勇程

(南京航空航天大學，南京 210016)

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BCF推進模式仿生機器魚的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

王揚威，于 凱，閆勇程

(南京航空航天大學，南京 210016)

身體/尾鰭推進(Body and/or Caudal Fin propulsion，BCF)模式是自然界大多數(shù)魚類采用的游動方式，相比中央鰭/對鰭推進(Media and/or Paired Fin propulsion，MPF)模式而言，在游動速度、高速推進效率以及加速性能上具有無可比擬的優(yōu)勢。BCF推進模式的研究是目前研究人員實現(xiàn)仿生機器魚高速游動和高效推進的主要手段。介紹了仿生機器魚廣泛采用的致動器，綜述了BCF推進模式仿生機器魚的研究現(xiàn)狀，對比分析了不同致動器驅(qū)動仿生機器魚的特點和性能，討論了仿生機器魚研究的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢。

仿生機器魚；BCF推進模式；致動器

0 引 言

魚類經(jīng)歷了數(shù)億年的自然選擇，進化出了高超的游動本領(lǐng)，不但能通過尾鰭的擺動形成向前游動時的推進力，還可充分利用身體周圍的流體動能，從而實現(xiàn)較高的游動速度和游動效率。而其對身體各部分優(yōu)秀的協(xié)調(diào)控制能力更使其能夠?qū)崿F(xiàn)小于0.3BL(Body Length，BL)的轉(zhuǎn)彎半徑和低噪聲的游動運動[1]。

伴隨人類對海洋開發(fā)利用腳步的逐步加快以及仿生學、流體力學和計算機科學等相關(guān)學科及技術(shù)的發(fā)展，具備高效低噪、靈活機動等特點的魚類成為了水下機器人和航行器的模仿對象。傳統(tǒng)的仿生水下機器人主要采用電機實現(xiàn)驅(qū)動，具有驅(qū)動力大、控制方便等優(yōu)點，但同時存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、動作生硬、柔性不高以及噪聲大等缺點[1]，難以真正地實現(xiàn)魚類游動的高效率性和高隱蔽性。將智能材料作為致動器應(yīng)用于仿生機器魚，使得仿生機器魚可以較好的

實現(xiàn)了微型化、高柔性、低噪聲以及簡單的結(jié)構(gòu)，因此逐步成為了水下仿生機器人驅(qū)動器的主要發(fā)展趨勢。

1 魚類游動方式

1926年，Breder根據(jù)魚類推進時所使用的身體部位的不同將魚類運動方式分為： BCF推進模式和MPF推進模式[1]。

MPF模式的魚類占總類的約15%，以背鰭、腹鰭、胸鰭和臀鰭作為主要推進部位。在低速情況下可保持較高的機動性、穩(wěn)定性以及較高的游動效率，一般可實現(xiàn)精確的六自由度運動、位置保持以及換向等動作，但是難以實現(xiàn)高速游動且加速性不足。

BCF模式是大多數(shù)的魚類采用的游動模式，通過波動或擺動部分身體和尾鰭的方式，利用渦流將水向身后推射從而利用水的反作用力實現(xiàn)魚體的向前運動。在高速巡游時，可實現(xiàn)較高的游動效率(一般80%以上)，且加速和起動性能良好。圖1的典型BCF模式[4]中，參與推進的身體部分越大，其機動性越高；參與推進的身體部分越小則推進的效率越高、游動速度越高。相關(guān)資料表明游速最快的箭魚其游動速度可達110 km/h。

圖1 典型BCF推進模式魚類[4]

2 應(yīng)用于機器魚推進的致動器

目前應(yīng)用傳統(tǒng)電動、液壓、氣壓方式驅(qū)動的大中型仿生機器魚仍然保持著游動速度快、推進力大等明顯的優(yōu)勢，并且已能夠投入到實際使用中。而隨著仿生機器魚的微型化發(fā)展，智能材料的優(yōu)勢則愈發(fā)明顯。目前應(yīng)用在仿生機器魚上的智能材料主要包括形狀記憶合金(Shape memory alloy，SMA)、電致動聚合物(Electroactive Polymer，EAP)、壓電材料(Piezoelectric Transducer，PZT)等。

2.1 形狀記憶合金

SMA具有在低溫下進行的較大變形，隨著溫度上升到一定值后恢復(fù)到原有形狀的特質(zhì)，即形狀記憶效應(yīng)(SME)。如圖2所示，SMA在外力下發(fā)生塑性變形，其內(nèi)部的孿晶馬氏體相變成應(yīng)力誘發(fā)馬氏體，溫度上升至相變溫度后，其金相組織轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷叵碌膴W氏體，其外形回復(fù)到形變前的固有形狀，冷卻后回復(fù)到孿晶馬氏體相。目前性能最好、應(yīng)用最為廣泛的鎳鈦(Ni-Ti)系列SMA是一種堅固的、機械和化學性質(zhì)穩(wěn)定的材料，其應(yīng)力一般高于200 MPa，收縮量可超過8%，相當于一般金屬的彈性變形的幾十倍。在合適的使用應(yīng)力以及變形量下可循環(huán)使用達數(shù)十萬次，且保持較好的形狀記憶效應(yīng)。由于其較大的收縮量和較高的應(yīng)力，SMA絲被普遍認為是一種性能良好的人工肌肉。

圖2 SMA相變示意圖

2.2 電致動聚合物

EAP主要包括離子型和電場型兩大類型，目前在仿生機器魚的應(yīng)用主要采用離子型EAP中的離子聚合物-金屬復(fù)合物(Ionic Polymer Metal Composites，IPMC)。在沒有外加電壓的情況下，IPMC內(nèi)部的陽離子與部分水分子形成的水合陽離子可自由移動并在材料內(nèi)部均勻分布，加上外部電壓后IPMC的兩個表面間形成電勢差，水合陽離子向負極移動，使得IPMC在負極膨脹，正極的水分子含量減小， IPMC正極收縮，從而宏觀上表現(xiàn)為向正極彎曲。實際應(yīng)用中IPMC具有使用壽命長、響應(yīng)速度快、體積小、質(zhì)量輕、柔性好、驅(qū)動電壓低等優(yōu)點并且適合微型化發(fā)展。但也存在著驅(qū)動力小且不能在離子溶液中使用等不足。

2.3 壓電材料

PZT是一種具有壓電效應(yīng)、能夠往復(fù)轉(zhuǎn)換機械能和電能的功能材料。在仿生機器魚上的應(yīng)用主要是利用其逆壓電效應(yīng)，通過對壓電陶瓷施加交變電場引起內(nèi)部正負電荷中心發(fā)生相對位移而被極化位移，導(dǎo)致電介質(zhì)發(fā)生形變，宏觀表現(xiàn)為晶體的機械變形。仿生機器魚中采用PZT材料制成的驅(qū)動器，具有驅(qū)動力大、響應(yīng)快、驅(qū)動功率低、控制精度高和分辨率高等優(yōu)點，而新型壓電纖維材料則具有易于應(yīng)用、功率密度高、有效的彎曲致動以及重量輕等優(yōu)點，其主要缺點是其位移量小、驅(qū)動電壓高并且通過擴大機構(gòu)、提高位移會導(dǎo)致輸出力衰減等。

3 BCF模式仿生機器魚研究現(xiàn)狀

目前仿生機器魚的驅(qū)動方式以傳統(tǒng)的電機驅(qū)動方式為主，由于其易于控制、驅(qū)動力大等特點，現(xiàn)已實現(xiàn)了較好的游動性能。智能材料驅(qū)動的機器魚省去了齒輪、活塞、關(guān)節(jié)、鉸鏈等傳動機構(gòu)，以簡單的機構(gòu)實現(xiàn)復(fù)雜的運動并具有較好的柔性，能夠更好地實現(xiàn)運動過程中的低噪聲和隱蔽性，更接近真實的魚類運動。

3.1 傳統(tǒng)驅(qū)動方式的機器魚

1994 年，美國麻省理工學院成功研制了世界上第一條真正意義上的仿生機器魚“RoboTuna”[5]，如圖3(a)所示。通過模仿藍鰭金槍魚的尾鰭推進原理，成功解決了傳統(tǒng)水下機器人連續(xù)工作時間短的限制，其推進效率達到91%。動力部分由6臺2.21 kW電機驅(qū)動，其整體結(jié)構(gòu)由多達2 843個零件組成。該機器魚尺寸為1.25 m×0.3 m×0.2 m，其游動速度可達到1.67 BL/s。

(a) 機器魚Robotuna (b) 機器魚VCUUV (c) 機器魚Fish-G9

(d) 氣動仿生七鰓鰻 (e) 氣動機器魚 (f) 機器魚SPC-Ⅱ

1998年，美國麻省理工學院與Draper 實驗室聯(lián)合研制了仿黃鰭金槍魚“VCUUV”[6]，如圖3(b)所示。該機器魚采用循環(huán)液壓驅(qū)動，用于探索魚類如何利用渦流輔助推進，其自主游動實驗顯示了該機器魚具有良好的減阻性能。該VCUUV尺寸為2.4 m×0.5 m×0.4 m，尾鰭展長 0.65 m，重136 kg，驅(qū)動頻率1 Hz時獲得最高游速0.5 BL/s，最大轉(zhuǎn)彎速度75 (°)/s。

2005年，英國埃塞克斯大學研制了仿生鯉魚“fish-G9”[6]，如圖3(c)所示。其由三個伺服電機構(gòu)成尾部驅(qū)動并利用直流電機調(diào)節(jié)重心，微型水泵改變機器魚自身重量，能夠?qū)崿F(xiàn)自主三維游動。通過研究機器魚的流體力學機制，從而對機器魚實現(xiàn)了更為精確的游動控制，研究者還對機器魚的直線巡游和C型啟動做了相關(guān)的研究。該機器魚體長為0.52 m，最快游速可達1 BL/s，最小轉(zhuǎn)彎半徑為0.3 BL。

2011年，意大利圣安娜高級學校生物機械研究所研制了一條由多關(guān)節(jié)構(gòu)成的仿生七鰓鰻[8]，如圖3(d)所示。其利用相鄰關(guān)節(jié)內(nèi)永磁鐵磁極之間的相斥和相吸作用來驅(qū)動自身，并通過規(guī)律性變換磁極方向來實現(xiàn)身體的規(guī)律性波動。實驗證明了該驅(qū)動方式的高效性，其在最佳游動狀態(tài)下可實現(xiàn)5 h的續(xù)航。該機器魚還采用了基于雙目視覺的視覺導(dǎo)航系統(tǒng)來輔助實現(xiàn)自主游動。其總長為0.99 m，在0.6 Hz驅(qū)動頻率下波長為1.2 m時，可達最高游速為0.7 BL/s。

2013年，麻省理工學院電氣工程與計算機科學系研制了新型氣壓驅(qū)動的仿生機器魚[9]，如圖3(e)所示。機器魚的能源供給由一個8 g的二氧化碳的高壓氣罐，直接利用高壓流體驅(qū)動，無需能量轉(zhuǎn)化，從而提高其效率。該機器魚同時具備快速加速性能和持續(xù)運動能力，研究發(fā)現(xiàn)，其逃生響應(yīng)模式下的運動性能和可控性與真實魚類接近。該機器魚全長339 mm，柔性尾部長159 mm，其中尾鰭長34 mm，寬51 mm。

國內(nèi)比較典型的仿生機器魚是北京航空航天大學機器人研究所于2003年研制的SPC-II 機器魚[10]，如圖3(f)所示。該機器魚由兩臺150 W的伺服電機驅(qū)動，其設(shè)計首要考慮了游動的穩(wěn)定性，其控制系統(tǒng)可實現(xiàn)手動控制、航向控制、GPS 航線游動3種模式并且可以自主調(diào)節(jié)各關(guān)節(jié)的擺動頻率、幅度和相位差。SPC-II 長度約1.2 m，最高游速1.17 BL/s，轉(zhuǎn)彎速度30 (°)/s，最小轉(zhuǎn)彎半徑1 BL。

隨著智能材料的發(fā)展，越來越多的仿生機器魚采用與魚類肌肉性能類似的智能材料作為致動器，簡化了仿生機器魚的推進裝置，提升了動作柔性、降低了游動過程中的噪聲以及改善了機器魚的流體力學性能。

3.2 SMA驅(qū)動的機器魚

2000年，美國東北大學海洋科學中心首次采用SMA絲研制了仿生七鰓鰻[11]，如圖4(a)所示。其通過全身的波動運動實現(xiàn)推進，為典型的鰻鱺式游動方式。其柔性身體和柔性的隨動尾鰭共占整體長度的85%。通過間隔的規(guī)律性加熱SMA絲來實現(xiàn)仿生七鰓鰻整個身體的柔性波動。該仿生七鰓鰻可實現(xiàn)低速慢游、常速游動、急速游動、爬行前進、爬行后退、轉(zhuǎn)彎、鉆孔等多種運動方式。

(a) 仿生七鰓鰻 (b) 仿藍鰭金槍魚 (c) SMA絲驅(qū)動機器魚

(d) 仿生機器魚 (e) SMA彈簧機器魚 (f) 微型仿生機器魚

2008年，加拿大維多利亞大學機械工程系研制了SMA絲驅(qū)動的藍鰭金槍魚[12]，如圖4(b)所示。其由剛性頭部和柔性魚尾組成，頭部和魚尾各占整體長度的50%。合金絲的收縮量約為5%，受限于SMA絲復(fù)雜的散熱條件以及控制軟件，該魚尾的最高擺動頻率為0.5 Hz。其總長度為1 m，最大擺幅5.7 cm，最大攻角17°，推進力的峰值為1 N。

2008年，日本九州大學研制了合金絲驅(qū)動的仿生機器魚[13]，如圖4(c)所示。其尾部嵌入合金絲驅(qū)動單元并采用分段二進制控制方法(SBC)控制合金絲的收縮。實驗將合金絲分為三段，進行了多種加熱方式實驗。機器魚包含尾鰭的尺寸為470 mm×90 mm×60 mm，總質(zhì)量為850 g。利用SMA絲驅(qū)動且擺動頻率為0.83 Hz時，實現(xiàn)最快游速0.15 BL/s。

2011年，西班牙自動化與機器人技術(shù)中心與研制了SMA絲驅(qū)動的仿生機器魚[14]，如圖4(d)所示。該機器魚摒棄了傳統(tǒng)的電機齒輪等機械部件，采用1 mm厚度聚碳酸酯作為柔性支撐結(jié)構(gòu)。同時將SMA絲分為等長的三段進行分別加熱致動，該機器魚總長300 mm(不包含尾鰭)，用于模擬不同BCF推進模式下的游動性能。用于驅(qū)動的SMA絲直徑0.15 mm，在收縮量為6%的情況下獲得36°擺動角度，0.5 Hz的擺動頻率下獲得最高游速為0.1 BL/s。

中國科學技術(shù)大學章永華等人于2006年設(shè)計了SMA彈簧驅(qū)動的仿生機器魚關(guān)節(jié)機構(gòu)[15]，如圖4(e)所示。通過魚體側(cè)面的兩組合金絲彈簧交替加熱的方式，實現(xiàn)尾鰭的繞轉(zhuǎn)軸的擺動，并通過流水直接冷卻方式來提高魚尾擺動頻率。SMA彈簧內(nèi)徑0.2 mm，外徑2 mm，有效圈數(shù)32。通過PWM加熱方式，尾鰭的最高擺動頻率可達1.5 Hz。

2008年，哈爾濱工業(yè)大學王振龍教授課題組研制了基于SMA絲驅(qū)動的微型機器魚[16]，如圖4(f)所示。將兩路直徑0.089 mm的SMA絲嵌入柔性單元的蒙皮內(nèi)，交替加熱兩側(cè)SMA絲，使得柔性尾鰭來回擺動而實現(xiàn)機器魚的推進游動。該機器魚總長146 mm ，質(zhì)量約30 g，最大擺幅26 mm。在驅(qū)動頻率2.5 Hz下實現(xiàn)最快游速0.76 BL/s。

3.3 EAP驅(qū)動的機器魚

2003年，日本香川大學的郭書祥等人采用離子導(dǎo)電聚合物膜(Ionic Conducting Polymer Film，ICPF)驅(qū)動機器魚[17]，如圖5(a)所示。通過改變輸出電壓的幅值和頻率來改變機器魚的游速，采用兩片尺寸為0.2 mm×3 mm×15 mm的ICPF驅(qū)動的尾鰭實現(xiàn)推進，兩個固定的胸鰭用來提高推進力，其浮力調(diào)節(jié)模塊由尺寸為0.2 mm×4 mm×6 mm 的ICPF驅(qū)動。該機器魚尺寸為45 mm×10 mm×4 mm，前部采用木質(zhì)結(jié)構(gòu)，總質(zhì)量0.76 g，在驅(qū)動電壓2.5 V、驅(qū)動頻率1 Hz左右的條件下實現(xiàn)最高游速約為0.12 BL/s。

(a) ICPF驅(qū)動機器魚 (b) PPY驅(qū)動機器魚 (c) IPMC驅(qū)動微型機器魚

(d) 仿鲹科機器魚 (e) IPMC驅(qū)動仿生鯽魚 (f) IPMC驅(qū)動仿生海豚

2009年，澳大利亞伍倫貢大學智能高分子研究所利用聚吡咯(Polypyrrole，PPY)導(dǎo)電聚合物研制了新型電子材料肌肉振蕩器(NEMO)驅(qū)動的機器魚[18]，如圖5(b)所示。該機器魚采用兩片尺寸為0.16 mm×3 mm×25 mm的PPY作為致動器。通過無線實時控制，可產(chǎn)生0.557 mN的推進力。該機器魚的直徑20 mm，長125 mm，重16.2 g，在低速游動下可實現(xiàn)1.1 BL的最小轉(zhuǎn)彎半徑，擺動頻率0.6～0.8 Hz的時候可實現(xiàn)其最高游速0.25 BL/s。

2009年，密西根州立大學電氣與計算機工程系研制了IPMC驅(qū)動的微型機器魚[19]，如圖5(c)所示。采用剛性的水滴形外型結(jié)構(gòu)配合IPMC柔性魚尾，以及一個惰性的柔性尾鰭組成機器魚的整體結(jié)構(gòu)。通過對IPMC魚尾的動力學和流體動力學進行建模仿真，研究其驅(qū)動電壓和游動速度之間的聯(lián)系，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果高度吻合。機器魚的總長約為20 cm，最大直徑為57 mm，總質(zhì)量為290 g。驅(qū)動電壓3.3 V、驅(qū)動頻率1 Hz的情況下可獲得最高的游速為0.1 BL/s。

2009年，東北大學以鲹科模式魚類為藍本研制了IPMC致動器驅(qū)動的機器魚[20]，如圖5(d)所示。該機器魚采用無線遙控作為遠程控制，其前部為硬質(zhì)殼體，魚尾部分為IPMC材料，尾鰭為柔性的塑料片。硬殼的尺寸為150 mm×60 mm×40 mm，IPMC的尺寸為50 mm×10 mm，柔性尾鰭尺寸為23 mm×40 mm×25 mm。總質(zhì)量165.65 g，驅(qū)動電壓為2.5 V、驅(qū)動頻率0.27 Hz的情況下達到最高游速0.034 BL/s。

2010年，哈爾濱工程大學在對鯽魚運動進行分析的基礎(chǔ)上研制了IPMC驅(qū)動微型機器魚[21]，如圖5(e)所示。其尾部和胸鰭均采用IPMC膜片作為驅(qū)動器，其中尾部和魚體的連接部分以及尾鰭都采用PVC塑料用以增加柔性。其總長99 mm，驅(qū)動電壓3.6 V，驅(qū)動頻率2 Hz的情況下，微型機器魚的最快游速為0.24 BL/s，最小轉(zhuǎn)彎半徑約0.8 BL。

2012年，北京航空航天大學機器人研究所研制了IPMC驅(qū)動的仿生寬吻海豚[22]，如圖5(f)所示。通過建立基于細長體理論的流體力學模型來研究機器魚的游動速度和游動效率。該機器魚(不含尾鰭)尺寸為47.5 mm×14.5 mm×12 mm，重50.05 g。在驅(qū)動電壓3 V、驅(qū)動頻率1 Hz，實現(xiàn)最快游速約0.5 BL/s，最大推進力1 mN，最高推進效率約65%。

3.4 PZT驅(qū)動的機器魚

1995年，日本名古屋大學福田敏男等采用PZT作為致動器研制出微型雙鰭魚形機器人[23]，如圖6(a)所示。采用兩塊尺寸為2 mm×3 mm×8 mm的PZT分別驅(qū)動兩個尾鰭，通過機械結(jié)構(gòu)將PZT的變形放大250倍并轉(zhuǎn)化為尾鰭的擺動。兩個尾鰭形成一定的交叉角以提高游動性能，每個尾鰭都可以產(chǎn)生向前或者向后的作用力，并由擺動頻率決定。該魚形機器人長32 mm，寬19 mm，在驅(qū)動電壓150 V、頻率168 Hz時有向后的推進力約為2×10-5N；速度0.68 BL/s，頻率397 Hz時有向前的推進力約為9.45×10-5N，速度為0.88 BL/s。

(a) 微型雙鰭機器魚 (b) 仿箱鲀科機器魚 (c) 仿生金槍魚

(d) MFC驅(qū)動的魚尾 (e) 微型水下機器人 (f) 仿生魚尾

2005年，加州大學機器人技術(shù)與智能機械實驗室以箱鲀科魚類為藍本研制PZT驅(qū)動的 Boxfish 機器魚[24]，如圖6(b)所示。采用四連桿機構(gòu)對PZT壓電雙晶片工作行程進行放大并驅(qū)動一個剛性的擺動尾鰭以提供推進力。該機器魚還設(shè)計有一對獨立的胸鰭以控制游動的方向包括上下和左右。第二代的盒子魚體長12 mm，其中尾鰭長度10 mm，最大擺動角度60°，重量為1 g。在150 V驅(qū)動電壓下，6 Hz驅(qū)動頻率平均推力約1 mN，3.9 Hz時的最高游動速度0.35 BL/s。

2010年，韓國建國大學人工肌肉研究中心和智能機器人中心研制了一條機器魚[25]，如圖6(c)所示。采用四層新型輕質(zhì)復(fù)合壓電致動器(LIPCA)驅(qū)動和新型的鉸鏈傳動系統(tǒng)。實驗研究了其在不同頻率下的尾鰭攻角、推進力以及游動速度。該機器魚尺寸260 mm×120 mm×20 mm，在驅(qū)動電壓250 V、驅(qū)動頻率3.9 Hz時得最高的游動速度約0.3 BL/s，可實現(xiàn)最大推進力7.2 mN，最小轉(zhuǎn)彎半徑約1.5 BL。

2011年，美國佐治亞理工學院機械工程系研制了粗纖維壓電復(fù)合材料(Macro Fiber Composite，MCF)制成的仿生魚尾[26]，如圖6(d)所示。通過實驗研究了其推進性能，該致動器具有功率密度高、彎曲致動、重量輕和一定頻率范圍內(nèi)靜音等優(yōu)點。采用重10 g的尾鰭，在驅(qū)動頻率6 Hz下產(chǎn)生平均推力19 mN，此時功耗約120 mW。

2003年，廣東工業(yè)大學研制出PZT驅(qū)動的微型水下機器人[27]，如圖6(e)所示。以壓電元件作為致動器，采用差動杠桿原理和柔性鉸鏈結(jié)合設(shè)計，利用三組杠桿機構(gòu)放大位移，其理論倍數(shù)約1 600。采用高壓功率運算放大器使得驅(qū)動電壓幅值為0～150 V可調(diào)，輸出波形頻率0～10 kHz，輸出驅(qū)動電流60～120 mA。實驗證明其可通過改變驅(qū)動頻率來改變機器人的游速，并實現(xiàn)運動方向的控制。

2012年，南京航空航天大學精密驅(qū)動研究所研究了一種復(fù)合型的仿生魚尾[28]方案，如圖6(f)所示。采用MFC作為驅(qū)動材料和特制的玻璃纖維增強型復(fù)合材料作為基板。MFC厚度為0.3 mm，魚尾整體尺寸為185 mm×40 mm×0.6 mm，其中尾鰭長70 mm，寬65 mm。實驗測得峰值電壓350 V、頻率9 Hz時末端的最大彎曲位移約7 mm，擺動角度約28°。

3.5 不同驅(qū)動類型的機器魚對比

傳統(tǒng)電機驅(qū)動的仿生機器魚一般可實現(xiàn)相對較高的游動速度和推進效率，而氣動和液壓驅(qū)動仿生機器魚的研制相對較少。相比較智能材料驅(qū)動的仿生機器魚，傳統(tǒng)驅(qū)動方式驅(qū)動的仿生機器魚在體積上要大很多，且由于其驅(qū)動控制技術(shù)相對較為成熟，因此可實現(xiàn)相對較好的機動性和游動性能。已研制的典型樣機中有相當部分已經(jīng)投入到實際應(yīng)用。

SMA驅(qū)動的仿生機器魚可實現(xiàn)基本的游動動作，在小型機器魚上可實現(xiàn)相對較高的游速，但在需要保證續(xù)航的情況下，由于能量轉(zhuǎn)化效率較低，難以實現(xiàn)較長時間的續(xù)航。目前已有的SMA驅(qū)動仿生機器魚以中小型為主。相比較EAP和PZT驅(qū)動的仿生機器魚，其體積大，并且游速快、驅(qū)動力大。

EAP驅(qū)動的仿生機器魚是目前研制較多的一種，由于其結(jié)構(gòu)容易實現(xiàn)，為典型的三段式，由剛性魚身、EAP尾部和惰性尾鰭組成。采用PWM脈沖控制即可實現(xiàn)魚尾的擺動，研究者主要試驗其在不同驅(qū)動電壓、驅(qū)動頻率、不同的尺寸以及新型EAP材料的采用等對機器魚游動性能的影響。

PZT驅(qū)動仿生機器魚主要是利用機械機構(gòu)將致動器的微小變形轉(zhuǎn)變成尾鰭的擺動。由于其較高的驅(qū)動電壓和較小的體積，使其無法內(nèi)置電源。而其遠高于正常的魚類的擺動頻率的致動頻率使其難以應(yīng)用于常規(guī)體積的仿生機器魚，目前僅用在微型泳動機器魚上。而新型壓電纖維材料的研制則提供了較好的解決方案，研究證明其可具備較好的性能表現(xiàn)，但同樣較高的驅(qū)動電壓使得其較難實現(xiàn)自給供電。各種驅(qū)動類型的機器魚對比如表1所示。

表1 不同驅(qū)動方式的仿生機器魚的對比

4 關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 推進機理研究

仿生原型推進機理的研究主要采用理論研究、實驗研究和數(shù)值模擬研究的方法。目前的理論研究和數(shù)值模擬的手段均取得了較為顯著的研究成果，但未能完整地揭示仿生原型的游動機理以及建立精確的動力學模型，導(dǎo)致仿生樣機的自主游動過程中無法實現(xiàn)精確的渦流控制。因此仿生原型的游動速度和游動效率與魚類原型之間都存在較大的差距，魚類游動的推進理論和動力學模型為仿生機器魚研制工作提供重要的理論基礎(chǔ)，因此是仿生機器魚研究的首要內(nèi)容。

4.2 推進裝置和致動器研究

高游速、高效率、高機動性一直都是研究人員追求的目標，也是研制仿生機器魚的初衷。為實現(xiàn)該目標，采用智能材料作為推進裝置的核心部件可以簡化其結(jié)構(gòu)、增加其柔性。然而目前的致動器由于對于彈性機制的利用不足，反饋控制技術(shù)不夠成熟，因此難以實現(xiàn)高游速和高效率的統(tǒng)一。新型致動器材料研制及其控制技術(shù)研究以及推進裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是實現(xiàn)仿生樣機游動動作更加接近魚類的重要途徑。

4.3 多傳感器融合以及控制技術(shù)

目前仿生樣機的自主游動大多局限在依據(jù)動力學模型實現(xiàn)開環(huán)控制，無法實現(xiàn)對魚體周圍流場進行感知和利用，也難以實現(xiàn)水下環(huán)境的主動識別、判斷和做出相應(yīng)的處理。不但阻礙了仿生樣機實現(xiàn)更高的游動速度和游動效率，也難以實現(xiàn)仿生樣機的水下的獨立自主工作。而通訊上由于難以在水下實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效的信號傳輸，因此對機器魚的實時控制不足。多傳感器的融合控制技術(shù)不但可實現(xiàn)機器魚的高效高速游動，還可擴展機器魚的水下應(yīng)用功能，使得仿生機器魚具備魚類的感知，使其能夠更好的完成水下工作。

4.4 高效的能源供給

仿生機器魚的能源供給主要采用自備電池的方式，一般可實現(xiàn)數(shù)小時的續(xù)航供給，但是限制于體積和重量的大小，難以實現(xiàn)更長時間的持續(xù)供給，因此極大地局限了其使用的范圍。而伴隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和增加其他輔助裝置等措施將太陽能、波浪能和潮汐能等新型能源作為機器魚的能源補給是仿生機器魚研究的重要研究方向。

5 總結(jié)與展望

BCF推進模式的魚類具有高游速、高效率的特點，使得其成為了理想的仿生原型。傳統(tǒng)電機驅(qū)動的仿生機器魚已實現(xiàn)了相對較高的游動效率和可控性，但是由于動作生硬、柔性不足、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點，限制了其進一步的發(fā)展。而智能材料的發(fā)展與應(yīng)用，使得新型仿生機器魚打破了傳統(tǒng)電機驅(qū)動仿生機器魚的限制，并極大地拓展了尾鰭推進模式仿生機器魚的使用范圍，成功實現(xiàn)了微型化、高柔性、低噪聲和高效率。國外對智能材料的研制和應(yīng)用較早，并且研制了眾多的典型樣機，而國內(nèi)的研究相對較晚，現(xiàn)階段還主要以電機為驅(qū)動器進行相關(guān)的開發(fā)研究，僅有少數(shù)單位開展了針對智能材料致動器驅(qū)動仿生機器魚的試驗性研究。未來智能材料驅(qū)動仿生機器魚將會受到越來越多的關(guān)注，也會有越來越多的研究機構(gòu)和科學工作者投身其中來，實現(xiàn)其更加完善的功能。

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Research Status and Development Trend of Bionic Robot Fish with BCF Propulsion Model

WANGYang-wei，YUkai,YANYong-cheng

(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China)

BCF propulsion model is the swimming mode adopted by the most nature fishes. Compared to MPF propulsion model, it has great advantage of high speed, high swimming efficiency and excellent acceleration performance. Researchers have focused on the study of BCF propulsion mode to realize high speed and efficient of bionic robot fish. Several common actuators used in bionic robot fish and the research status of BCF propulsion mode were introduced. And the characteristics and performance of the bionic robot fish based on different actuators was analyzed and the key technologies and development trends of BCF propulsion model was discussed.

bionic robot fish; BCF propulsion model; actuator

2015-04-20

江蘇省自然科學基金項目(BK20130796)；南京航空航天大學研究生創(chuàng)新基地(實驗室)開放基金項目(KFJJ201437)；高校基本科研業(yè)務(wù)費專項基金項目

TM359.9

A

1004-7018(2016)01-0075-06

王揚威(1980-)，男，講師，研究方向為仿生機器人和機電控制及自動化。