仿生波動(dòng)鰭推進(jìn)的兩棲航行器

謝萍 張曉月

本作品利用介電彈性體在外界電刺激作用下產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的特性設(shè)計(jì)了一款模擬魚類鰭部肌肉運(yùn)動(dòng)的海洋航行器。該裝置有效地解決了現(xiàn)有海洋航行器不能在復(fù)雜的兩棲環(huán)境中運(yùn)行的問題，而且由于仿生波動(dòng)鰭采用了柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)水下生物十分友好，不會(huì)影響行駛水域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境，在滿足陸上工作與水下航行條件的同時(shí)，在一定程度上解決我國(guó)海洋資源探查、兩棲作業(yè)等方面的現(xiàn)實(shí)問題。

波動(dòng)鰭;介電彈性體;兩棲航行器

一、研究背景及意義

浩瀚的海洋中蘊(yùn)含有豐富的生物資源、礦產(chǎn)資源和能源，人類在水下環(huán)境中進(jìn)行生產(chǎn)、科研等活動(dòng)越來越頻繁，水下任務(wù)的要求也不斷提高，人工操作的方式從成本、安全性、效率上逐漸不能滿足復(fù)雜水下任務(wù)的要求。近年來，一些智能的自主水下航行器被廣泛應(yīng)用于海洋開發(fā)、海洋研究、水下環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。

目前多數(shù)水下航行器推進(jìn)設(shè)計(jì)原理為：由螺旋槳產(chǎn)生推力，結(jié)合可操控的舵面產(chǎn)生機(jī)動(dòng)控制力。這種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于推進(jìn)器以巡航速度行駛于空曠平靜海域的應(yīng)用領(lǐng)域是經(jīng)濟(jì)有效的。但出于其機(jī)動(dòng)控制力依賴于流體在操控舵面上的流動(dòng)產(chǎn)生的升力，在低速下難以實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)。此外這類推進(jìn)器會(huì)在尾跡中產(chǎn)生大量大帶寬的噪聲，導(dǎo)致一些水下生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞。因此，水下推進(jìn)器在低速下的有效性、機(jī)動(dòng)性以及噪聲與尾跡的控制是制約當(dāng)前水下航行器效能發(fā)揮的主要因素。

本項(xiàng)目為改進(jìn)傳統(tǒng)水下航行器使用的螺旋槳式推進(jìn)方式，著眼于仿生技術(shù)，模擬利用魚類游動(dòng)，諸如弓鰭目、裸背鰻科和鱗純科等魚類，采用柔性長(zhǎng)鰭波動(dòng)的游動(dòng)模式，生存于狹小惡劣的環(huán)境，具有良好的推進(jìn)效率、機(jī)動(dòng)性與穩(wěn)定性，不僅能夠遠(yuǎn)程遷徙，還具有靈活機(jī)動(dòng)、抗擾動(dòng)能力強(qiáng)，尤其擅長(zhǎng)于低速下的機(jī)動(dòng)等特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一款水路兩棲式波動(dòng)鰭推進(jìn)航行器。

二、設(shè)計(jì)方案

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝置整體由主體結(jié)構(gòu)和兩側(cè)波動(dòng)鰭組成，主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路為圖1所示，在航行器的艏端為攝影攝像機(jī)和探照燈用于海底勘探;中部搭載智能尋魚器，可以檢查魚群數(shù)量數(shù)量和尺寸，近距離觀察魚群健康狀況;艉部安裝有蓄電池箱，能夠?qū)㈦娔軆?chǔ)存起來，在需要時(shí)通過其放電來提供動(dòng)力;側(cè)部安裝有測(cè)距側(cè)掃聲吶，可以測(cè)量觀測(cè)物與航行器之間的距離，有利于搜尋垃圾污染物以及收集海洋生物信息。航行器兩側(cè)為波動(dòng)鰭，作為主要的推進(jìn)器，實(shí)現(xiàn)航行器前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向和浮潛的功能。

2 介電彈性體驅(qū)動(dòng)器工作原理

介電彈性體驅(qū)動(dòng)器是由介電彈性體薄膜和其兩側(cè)涂覆的柔性電極組成。當(dāng)在驅(qū)動(dòng)器上下電極施加外界電場(chǎng)，材料內(nèi)部電荷重新排布，接近同一電極的材料表面形成相互排斥的同性電荷，使材料在宏觀上表現(xiàn)為橫向擴(kuò)張;同時(shí)，在材料縱向方向形成相互吸引的異性電荷，使材料在宏觀上表現(xiàn)為縱向壓縮。當(dāng)電場(chǎng)撤銷后，材料內(nèi)部的電荷又回到無序狀態(tài)，使得材料恢復(fù)到原始的形狀和體積，從而實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。

電致形變驅(qū)動(dòng)是由靜電應(yīng)力和彈性應(yīng)力的耦合產(chǎn)生的，靜電應(yīng)力P又稱麥克斯韋（）應(yīng)力，是電介質(zhì)內(nèi)部電場(chǎng)分布產(chǎn)生變化的結(jié)果，可以由如下公式表示：

三、創(chuàng)新特色

（1）基于波動(dòng)鰭推進(jìn)模式的設(shè)計(jì)方案為海洋航行器的仿生設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的思路和選擇。

（2）波浪形飄帶的柔性結(jié)構(gòu)對(duì)海洋生物十分友好的同時(shí)避免了大范圍的擾動(dòng)。

（3）波狀鰭的結(jié)構(gòu)為海洋航行器提供了新的運(yùn)動(dòng)方式。

（4）采用新型材料的海洋航行器對(duì)環(huán)境的滿足度很高，既可以水下航行，又可以在陸地上行走。

四、應(yīng)用前景

（1）在近海及其他灘涂等復(fù)雜情況下，克服惡劣的環(huán)境條件，攜帶高性能作業(yè)和勘探設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自主、快速、有效的兩棲作業(yè)。

（2）針對(duì)野外傳感干擾嚴(yán)重、兩棲跨介質(zhì)導(dǎo)航的特點(diǎn)，建立統(tǒng)一多模態(tài)傳感框架，通過對(duì)絕對(duì)位置估計(jì)、多機(jī)相對(duì)位置估計(jì)以及環(huán)境地圖描述，幫助人類在復(fù)雜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)安全高效監(jiān)測(cè)地形。

（3）海洋垃圾污染近些年來越來越受重視，此航行器對(duì)環(huán)境十分友好的特性有助于其在近海區(qū)域收集數(shù)據(jù)以及搜尋海洋污染物，保護(hù)海洋、保護(hù)海洋生物。

（4）航行器搭載了智能尋魚器，可以通過手機(jī)APP實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)海底魚情、檢查魚群數(shù)量和尺寸，近距離觀察魚群健康狀況。還可以對(duì)網(wǎng)箱、人工魚礁、錨鏈進(jìn)行安全檢查，實(shí)現(xiàn)漁民對(duì)漁場(chǎng)的智能化管理。

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