水下長(zhǎng)鰭波動(dòng)式MPF推進(jìn)模式機(jī)器人研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

丁樂涵，馬愷君，王希卓，解文達(dá)，高建設(shè)

（鄭州大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，鄭州 450000）

0 引言

在水下仿生魚類機(jī)器人的研究中，主流的研究方向共有兩個(gè)方向，對(duì)應(yīng)著魚類兩種推進(jìn)模式，即身體和/或尾鰭（BCF）的推進(jìn)模式和中鰭和/或成對(duì)鰭（MPF）的推進(jìn)模式[1]。BCF推進(jìn)模式的研究要早于MPF推進(jìn)模式的研究，1994年美國麻省理工學(xué)院最早通過研究制作出了全世界第一條真正意義上的仿金槍魚機(jī)器人“Robotuna”（如圖1），以此開啟了水下仿生機(jī)器人研制的里程[2]。

圖1 仿生金槍魚機(jī)器人

但隨著研究的深入，BCF推進(jìn)模式穩(wěn)定性差、機(jī)動(dòng)性差的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不斷暴露出其模式上的缺陷，于是有學(xué)者開始對(duì)MPF推進(jìn)模式進(jìn)行了研究，最早的應(yīng)該是2001年英國哈利爾特-瓦特大學(xué)為了研究波動(dòng)性MPF游泳，開發(fā)了“鰭執(zhí)行器”[3]。較早的為日本大阪大學(xué)，自2002年開始了此類的數(shù)值研究[4]，并于2011年詳細(xì)地論述了模型機(jī)的研制過程（如圖2）[5]。

圖2 仿生墨魚機(jī)器人

到了2013年，王田苗等[6]又將MPF模式按照推進(jìn)方式的不同，分成了多鰭拍動(dòng)式、胸鰭撲翼滑翔式和長(zhǎng)鰭波動(dòng)式3種，其中長(zhǎng)鰭波動(dòng)魚類通過單側(cè)或多側(cè)波動(dòng)鰭產(chǎn)生的推進(jìn)波來推動(dòng)軀體，其生態(tài)原型為自然界中的秋刀魚和黃貂魚等水生生物，它們通常以波動(dòng)鰭的方式游動(dòng)。本文針對(duì)長(zhǎng)鰭波動(dòng)式MPF推進(jìn)模式的研究現(xiàn)狀與發(fā)展進(jìn)行分析，對(duì)其原理、結(jié)構(gòu)、材料、流體力學(xué)方面進(jìn)行了總結(jié)與分析。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 原理部分

在水下長(zhǎng)鰭波動(dòng)式MPF推進(jìn)模式機(jī)器人的原理研究方面，斯特勞哈爾數(shù)（Strouhal數(shù)，以下簡(jiǎn)稱St數(shù)），作為衡量機(jī)器動(dòng)力學(xué)特性的重要指標(biāo)之一，一開始便運(yùn)用到了仿生魚類機(jī)器人推進(jìn)效率及推進(jìn)系數(shù)等動(dòng)力學(xué)特性的研究當(dāng)中，而St數(shù)與另一個(gè)重要參量雷諾數(shù)具有密切的關(guān)系，兩者常常作為該領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)研究的重要衡量指標(biāo)。

St數(shù)在國內(nèi)較早應(yīng)用于仿生魚類機(jī)器人的是在2007年河海大學(xué)學(xué)者王亮所進(jìn)行的仿生魚群自主游動(dòng)及控制的研究中。他通過數(shù)值模擬得到了二維仿生魚自主巡游時(shí)St數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系（如圖3），并探究了這種關(guān)系與推進(jìn)效率、推力系數(shù)等動(dòng)力學(xué)特征在中小型魚類與海豚間的差別[7]。開啟了利用St數(shù)研究仿生魚類機(jī)器人的先河。

圖3 自主模式巡游時(shí)雷諾數(shù)與斯特勞哈爾數(shù)的圖像

若要開展對(duì)于水下長(zhǎng)鰭波動(dòng)式MPF推進(jìn)模式的仿生AUV的研究，必然要研究其原型魟魚，但魚類自主游動(dòng)中推力和阻力無法區(qū)分的局限性問題一直難以解決。

2012年國內(nèi)學(xué)者王亮、陳宗芳等[8]在研究魚游水動(dòng)力學(xué)特性時(shí)，通過對(duì)推力和阻力進(jìn)行重新定義，徹底掃除了魚類自主游動(dòng)研究中阻力和推力難以辨別的障礙。而后又模擬了以鲹科模式在黏性和無黏流體（雷諾數(shù)無窮大）中的魚類自主游動(dòng)，得出了St數(shù)隨雷諾數(shù)變化的曲線（如圖4），證明了鲹科模式在高雷諾數(shù)下的推進(jìn)優(yōu)勢(shì)。這一研究方法為研究魟魚的魚游提供了新的思路。

圖4 在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)St變化的函數(shù)圖像

由于當(dāng)時(shí)St數(shù)與水下長(zhǎng)鰭波動(dòng)式MPF推進(jìn)模式機(jī)器人相結(jié)合的研究經(jīng)驗(yàn)與案例寥寥無幾，以至于往后10年左右的時(shí)間里，在該方面St數(shù)的分析研究少之又少。直到近年來有學(xué)者在胸鰭材料的選擇上再度應(yīng)用St數(shù)。

2019年哈爾濱工程大學(xué)者劉葳興利用ABS柔性材料制作胸鰭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并繪制其推力系數(shù)和升力系數(shù)的時(shí)歷曲線（如圖5）。通過統(tǒng)計(jì)與分析，推進(jìn)效率與St值以及與平均推力系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系被研究人員成功總結(jié)得出。研究表明，使用合適的柔性材料制造的仿生胸鰭比剛性材料制造的在推力和效率方面都有顯著提升。實(shí)驗(yàn)中，獲取到的最佳St值約為1.3，與Lauder等[9]針對(duì)藍(lán)鰓太陽魚胸鰭巡游時(shí)的St值的實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分接近，進(jìn)一步佐證了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性[10]。由此可見，若想獲得動(dòng)力學(xué)上仿生胸鰭的最優(yōu)解，St數(shù)的引入在實(shí)驗(yàn)研究中必不可少。

圖5 不同St值下水動(dòng)力系數(shù)隨時(shí)間的變化

1.2 結(jié)構(gòu)部分

在水下長(zhǎng)鰭波動(dòng)式MPF推進(jìn)模式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)研究方面，存在多種結(jié)構(gòu)的研究與開發(fā)。其中一種結(jié)構(gòu)就是單側(cè)鰭開發(fā)，這種結(jié)構(gòu)一般豎直放置，模仿魚類的背鰭。2001年英國哈利爾特-瓦特大學(xué)最早開發(fā)了“鰭執(zhí)行器”，這是一種基于硬骨魚鰭結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)裝置，利用平行波紋管 執(zhí) 行 器（PBA） 作 為“鰭射線”單元（如圖6）[3]。

圖6 鰭執(zhí)行器

2003 年，美國西北大學(xué)模仿裸背鰻科“黑魔鬼”的長(zhǎng)臀鰭波動(dòng)推進(jìn)模式，設(shè)計(jì)出了帶狀鰭推進(jìn)器（如圖7）[11]。鰭條采用剛性結(jié)構(gòu)與柔性材料結(jié)合，可以使連接鰭條的平面實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

圖7 鰭條驅(qū)動(dòng)器

另一種結(jié)構(gòu)是對(duì)雙側(cè)鰭的開發(fā)，這種結(jié)構(gòu)一般左右兩側(cè)對(duì)稱放置，模仿了魚類的胸鰭。2002年日本大阪大學(xué)在進(jìn)行數(shù)值研究后，就首先提出了一種機(jī)械結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的兩側(cè)都有16個(gè)伺服馬達(dá)單元（如圖8）。每個(gè)伺服電機(jī)是由一個(gè)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)單獨(dú)控制，以進(jìn)行任何類型的鰭的運(yùn)動(dòng)[12]。由于兩側(cè)均布驅(qū)動(dòng)后機(jī)器的穩(wěn)定性更好，因此在往后其他學(xué)者的研究中，都傾向于這種結(jié)構(gòu)的研究。

圖8 日本大阪大學(xué)對(duì)雙側(cè)鰭的開發(fā)

2009年國防科技大學(xué)利用多直鰭條的原理，研發(fā)制作了水下仿生機(jī)器人“Cownose ray I”（如圖9），該機(jī)器人由8個(gè)直接連接的雙臺(tái)3003伺服電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，工作單元和電動(dòng)機(jī)和鰭條之間的接頭都是模塊化的[13]，在結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)化了兩側(cè)驅(qū)動(dòng)的數(shù)量。

圖9 牛鼻鲼-Ⅰ機(jī)器人

2010年新加坡南洋理工大學(xué)的研究人員開發(fā)出了“RoMan-II”仿生蝠鲼試驗(yàn)樣機(jī)（如圖10），機(jī)身兩側(cè)均勻安裝有6 個(gè)柔性鰭條，以此來驅(qū)動(dòng)雙面鰭，即兩側(cè)類似扇形的單面鰭[14]。

圖10 仿生蝠鲼試驗(yàn)樣機(jī)

2016年Michael Sfakiotakis等[15]研制了一種帶有一對(duì)橫向安裝的鰭推進(jìn)器（如圖11），其鰭片長(zhǎng)度相等，每條鰭片由兩個(gè)2 mm厚的飛機(jī)級(jí)鋁矩形板組成，薄膜通過4 對(duì)螺母和螺栓固定在它們之間。

圖11 鰭推進(jìn)器

研究過程中存在幾種不常見的結(jié)構(gòu)開發(fā)，一種是2006年國防科研大學(xué)謝海斌[16]的四鰭正交平行配置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如圖12），其控制系統(tǒng)采用多波動(dòng)鰭推進(jìn)；還有一種是2015年南京航空航天大學(xué)的環(huán)繞式魚鰭開發(fā)，這種結(jié)構(gòu)由12個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)均勻分布一圈帶動(dòng)仿生魚鰭擺動(dòng)（如圖13）[17]。

圖12 多波動(dòng)鰭推進(jìn)模型

圖13 環(huán)繞式魚鰭開發(fā)

除了將每個(gè)鰭條都賦予單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)外，還有一種“單一驅(qū)動(dòng)——機(jī)械傳動(dòng)”的結(jié)構(gòu)方案。2003年國防科技大學(xué)的研究人員開展了由單節(jié)模塊組成的波動(dòng)致動(dòng)機(jī)構(gòu)的理論研究[18]，整個(gè)機(jī)構(gòu)通過直流伺服電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)軸為各個(gè)模塊傳遞轉(zhuǎn)矩，以此來控制仿生鰭波動(dòng)的方向和頻率（如圖14）[19]。

圖14 “單一驅(qū)動(dòng)——機(jī)械傳動(dòng)”的結(jié)構(gòu)方案

近年來（2018至今），大多數(shù)對(duì)于水下長(zhǎng)鰭波動(dòng)式MPF推進(jìn)模式機(jī)器人結(jié)構(gòu)研究的方面也與前人相差無幾。2018年中南大學(xué)設(shè)計(jì)了仿生執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型，一側(cè)由五根長(zhǎng)短不一的鰭條組成（如圖15）。當(dāng)裝置處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，各鰭條以某種函數(shù)形式上下擺動(dòng)，當(dāng)各鰭條運(yùn)動(dòng)形成特定相位差時(shí)，在胸鰭上就構(gòu)成了正弦或非正弦的波形[20]。

2020年湖南大學(xué)也設(shè)計(jì)研發(fā)了一種致動(dòng)機(jī)構(gòu)，這是典型的“單一驅(qū)動(dòng)——機(jī)械傳動(dòng)”的結(jié)構(gòu)，有效減少了驅(qū)動(dòng)件的數(shù)量（如圖16）。該致動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了鰭條致動(dòng)單元組合的模式，以此來實(shí)現(xiàn)鰭條帶動(dòng)鰭面的波動(dòng)運(yùn)動(dòng)，該結(jié)構(gòu)下裝置的運(yùn)動(dòng)可僅由單個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，心軸的軸線即為波動(dòng)鰭的基線[21]。

圖16 致動(dòng)機(jī)構(gòu)

2021年西南石油大學(xué)提出了一種新的波動(dòng)式推進(jìn)器，它由七條鰭條和一個(gè)弧形鰭線表面組成（如圖17），為了產(chǎn)生平滑連續(xù)的推進(jìn)波，每個(gè)翼線的一端由伺服電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，另一端牢牢固定在弧形翼線表面的內(nèi)邊緣[22]。與剛提出時(shí)的結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)減少了驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的個(gè)數(shù)，但又保持了足夠數(shù)量，使得其既足夠產(chǎn)生預(yù)期波的同時(shí)變得更加簡(jiǎn)捷高效。可見目前研究的趨勢(shì)正向著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)高效的方向發(fā)展。

圖17 新的波動(dòng)式推進(jìn)器

1.3 材料部分

在水下長(zhǎng)鰭波動(dòng)式MPF推進(jìn)模式機(jī)器人的材料研究方面，主要針對(duì)機(jī)器人的殼體和波動(dòng)鰭的材料進(jìn)行研究。其中波動(dòng)鰭又連接部分（鰭條）和蒙皮構(gòu)成，對(duì)于這兩部分材料的研究也尤為重要。

在國內(nèi)材料研究中，2006年國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)者徐海軍[23]提出柔性長(zhǎng)背鰭波動(dòng)仿生裝置鰭面材料的選擇問題，他的研究表明，目前可以選用的鰭面材料僅限于柔性橡膠蒙皮和乳膠蒙皮。

2008年國防科技大學(xué)的楊少波等[24]參照牛鼻鲼的特征，設(shè)計(jì)出了牛鼻鲼-I。其應(yīng)用鋁合金薄板制作魚底板，舵機(jī)安裝在魚底板，由不銹鋼材質(zhì)的細(xì)長(zhǎng)光軸作為鰭條，外加成型硫化硅橡膠作為胸鰭表面材料。

自2005年起，北京航空航天大學(xué)的研究人員通過對(duì)MPF推進(jìn)方式機(jī)器人的研究，研制了一系列由玻璃鋼制成的機(jī)體和由碳纖維和硅膠板構(gòu)成的胸鰭組成的樣機(jī)。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)同樣也進(jìn)行了一系列關(guān)于MPF推進(jìn)模魚類仿生學(xué)研究，王揚(yáng)威等[25]設(shè)計(jì)出了仿生蝠鲼機(jī)器魚，該樣機(jī)利用SMA形狀記憶合金材料來制作驅(qū)動(dòng)部分，以聚乙烯材料組成外殼，以及由形狀記憶合金固連柔性蒙皮而形成的胸鰭部分（如圖18）。

圖18 仿生蝠鲼機(jī)器魚

2014年哈爾濱工業(yè)大學(xué)進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)者高帥[26]利用硅膠高彈性、高柔軟度的特點(diǎn)制作仿生波動(dòng)魚鰭，并使用ABS工程塑料作為魚鰭模具灌注硅膠。但硅膠抗張強(qiáng)度和抗撕裂強(qiáng)度等力學(xué)性能較差，且吸附能力強(qiáng)，不利于長(zhǎng)期使用的問題仍有待解決。

2015年南京航空航天大學(xué)譚進(jìn)波[27]對(duì)仿生機(jī)器魟魚的鰭膜材料進(jìn)行了一系列細(xì)致研究后認(rèn)定低彈性模量的輕質(zhì)非金屬材料是優(yōu)先考慮的對(duì)象，其中包括橡膠、高彈性硅膠等。并在最終選擇采用薄乳膠膜來制作魚鰭。但橡膠本身所具有的一些壽命問題仍然存在。

在國外的研究中，2002年，日本名古屋大學(xué)設(shè)計(jì)了一套仿烏賊波動(dòng)水下機(jī)器人，其中驅(qū)動(dòng)部分采用了人造肌肉（如圖19）。

圖19 波動(dòng)鰭微型推進(jìn)器

2007德國Festo 公司成功將人工肌肉研究成功，仿生蝠鲼樣機(jī)（如圖20） 便應(yīng)用了此項(xiàng)技術(shù)，其采用氣動(dòng)肌腱驅(qū)動(dòng)[28]。

圖20 Subsea glider

近年來（2018至今），水下長(zhǎng)鰭波動(dòng)式MPF推進(jìn)模式機(jī)器人的材料研究方面并無大的區(qū)別。2020年湖南大學(xué)學(xué)者鄧亞妮[29]考慮到鰭面保證波形的同時(shí)對(duì)于柔韌性和柔軟度的要求，選用厚度較薄的硅膠作為鰭面材料，鰭條材料選用不銹鋼。

2021年山東建筑大學(xué)學(xué)者朱寶星[30]采用密度較小的聚酰胺材料制作鰭條，采用硅膠制作鰭面。聚酰胺的使用使得機(jī)器動(dòng)力損耗大大降低，但其吸水性和線膨脹率很大，浸泡后易變形，從而影響使用。

2022年國內(nèi)學(xué)者王崇磊等[31]在探索仿生柔性鰭波動(dòng)推進(jìn)的水動(dòng)力性能的過程中使用硅膠板作為波動(dòng)鰭材料，滿足密度小、延展性高、表面疏水的要求。而西南石油大學(xué)設(shè)計(jì)的長(zhǎng)鰭波動(dòng)機(jī)器人弧形鰭線表面由丁腈橡膠制成，由3D打印機(jī)使用光敏樹脂制造鰭射線。在材料研究的方面正朝著性能化、自定義化的方向發(fā)展。

1.4 流體分析

在水下長(zhǎng)鰭波動(dòng)式MPF推進(jìn)模式機(jī)器人的流體分析研究方面，主要集中在數(shù)值研究方面，其使用的數(shù)學(xué)方法更加多元化，建立了多樣化的數(shù)學(xué)模型和流體力學(xué)模型。

2002年日本大阪大學(xué)使用了CFD求解計(jì)算出鰭狀平板端部周圍流體的運(yùn)動(dòng)，并與非黏性計(jì)算進(jìn)行了比較，證實(shí)其有效計(jì)算出兩側(cè)鰭狀平板端部流體的運(yùn)動(dòng)，得到了側(cè)鰭流速、壓力分布等數(shù)據(jù)并考察了其與推力的關(guān)系（如圖21）[32]，為后人使用CFD分析長(zhǎng)鰭波動(dòng)并結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證提供范例。

圖21 日本大阪大學(xué)-平板在加速度階段和等速階段的計(jì)算結(jié)果

2004年美國西北大學(xué)的Malcolm A.MacIver等[33]對(duì)裸背鰻科“黑魔鬼”的長(zhǎng)臀鰭波動(dòng)推進(jìn)模式進(jìn)行模仿設(shè)計(jì)，研發(fā)出一種通過帶狀鰭波動(dòng)推進(jìn)的水下推進(jìn)器，并在此基礎(chǔ)上通過對(duì)模型的理想化建模與基爾霍夫方程產(chǎn)生軌跡的優(yōu)化控制算法對(duì)“黑魔鬼”的快速倒退運(yùn)動(dòng)與背部翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了計(jì)算研究（如圖22），驗(yàn)證了黑魔鬼魚在低速情況下的高機(jī)動(dòng)性能。

圖22 美國西北大學(xué)-快速倒退運(yùn)動(dòng)與背部翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)研究

2008年中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)章永華[34]通過對(duì)“藍(lán)點(diǎn)魟”進(jìn)行仿生建模，建立了簡(jiǎn)化的二維及三維胸鰭波動(dòng)運(yùn)動(dòng)模型，結(jié)合ANSYS Fluent與CFD技術(shù)，以N-S為主控方程，通過動(dòng)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格技術(shù)，SIMPLE算法控制方程的離散，對(duì)其進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算，其分析涵蓋運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)、波動(dòng)模式、波動(dòng)鰭鰭面形狀和鰭條傾角等多種變量對(duì)游動(dòng)性能的影響，展現(xiàn)魚鰭波動(dòng)游動(dòng)時(shí)魚鰭周圍反卡門渦街從生成到消散的全過程，從渦動(dòng)力學(xué)角度解釋推力產(chǎn)生的機(jī)理，從流體力學(xué)方面更進(jìn)一步研究解釋長(zhǎng)鰭波動(dòng)原理。

2009年周晗[35]使用CFD計(jì)算了理想化零厚度的三維仿生波動(dòng)鰭面周圍壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)的分布情況，豐富了使用CFD方法對(duì)于波動(dòng)鰭面領(lǐng)域的研究。

2014年Hu Tianjiang等[36]借助CFD方法研究了仿生魚類機(jī)器人的相位滯后效應(yīng)并提出推力受運(yùn)動(dòng)學(xué)影響的結(jié)論。此外，當(dāng)鰭條不能模擬預(yù)期的軌跡時(shí)，推力具有相位滯后的特征。相關(guān)的滯后相位Δp隨時(shí)間變化，并隨運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的變化而變化。從控制方面并結(jié)合CFD方法這一新的角度對(duì)仿生魚類機(jī)器人進(jìn)行研究。

2017年章永華[37]建立了鰭條的2種運(yùn)動(dòng)模式下的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，通過對(duì)黏性不可壓縮流體N-S方程的求解，比較在不同運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)下鰭條等幅和變幅2種運(yùn)動(dòng)模式對(duì)于無量綱阻力系數(shù)時(shí)間平均值與無量綱阻力系數(shù)的影響情況，揭示出無量綱阻力系數(shù)時(shí)間平均值隨頻率、擺幅和波長(zhǎng)的變化規(guī)律以及無量綱阻力系數(shù)隨時(shí)間的變化情況，并給出其運(yùn)動(dòng)模型沿鰭條方向切面的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布變化情況與在兩種波動(dòng)運(yùn)動(dòng)情況下推進(jìn)力變化（如圖23）。

圖23 章永華-鰭條等幅擺動(dòng)壓力圖

2019年湖南大學(xué)陳健[38]對(duì)于多波動(dòng)鰭仿生水下航行器進(jìn)行分析研究，將復(fù)雜的三維波動(dòng)鰭運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為二維波動(dòng)，建立波動(dòng)鰭二維運(yùn)動(dòng)模型，并通過UDF動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)其運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行仿真分析，分析波動(dòng)鰭無量綱阻力系數(shù)的變化規(guī)律并展現(xiàn)波動(dòng)鰭運(yùn)動(dòng)過程中壓力場(chǎng)分布以及速度場(chǎng)分布特點(diǎn)。其將三維波動(dòng)轉(zhuǎn)化為二維波動(dòng)的簡(jiǎn)化方法提供一種新的分析思路。同時(shí)隨著技術(shù)的進(jìn)步，流體力學(xué)分析也將更加依托高算力的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，朝著更加細(xì)致高效的計(jì)算機(jī)流體分析發(fā)展。

2 問題和展望

在原理方面，St數(shù)作為表征流動(dòng)非定常性的相似準(zhǔn)則，應(yīng)用于水下長(zhǎng)鰭波動(dòng)式MPF推進(jìn)模式機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)研究時(shí)擁有無可比擬的先進(jìn)性。但由于測(cè)量St值的實(shí)驗(yàn)要求的苛刻以及實(shí)驗(yàn)條件的限制，許多研究中人們只能粗略地測(cè)量，而難以單一地依據(jù)其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)器進(jìn)行微調(diào)。也因?yàn)镾t值的測(cè)量粗略問題使得St數(shù)與雷諾數(shù)函數(shù)關(guān)系地構(gòu)建誤差較大，對(duì)于機(jī)器的動(dòng)力學(xué)特性的反應(yīng)可能會(huì)有失真情況的出現(xiàn)。因此St數(shù)應(yīng)用的推廣延伸以及實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的積累迫在眉睫，其與機(jī)器動(dòng)力學(xué)特性逐步深入的結(jié)合必定成為日后相關(guān)研究的主旋律。

在結(jié)構(gòu)方面，縱觀水下長(zhǎng)鰭波動(dòng)式MPF推進(jìn)模式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)研究，由于該推進(jìn)模式的需求是形成穩(wěn)定且連續(xù)的推進(jìn)波，因此其結(jié)構(gòu)必須包含多個(gè)獨(dú)立帶動(dòng)鰭桿的驅(qū)動(dòng)裝置來控制材料魚鰭生成特定形狀、多種模式的波狀形態(tài)。雖然“單一驅(qū)動(dòng)——機(jī)械傳動(dòng)”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能通過擺桿或搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)形成特定波動(dòng)形狀，但顯然其無法滿足像魚類一樣多種模式的波動(dòng)形態(tài)，單一驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)限制了形態(tài)變化上的多樣性。近年來學(xué)者的研究正是綜合了前人的研究，將驅(qū)動(dòng)裝置的數(shù)量控制在一定范圍內(nèi)，既不會(huì)因?yàn)閿?shù)量太少無法形成預(yù)期的波動(dòng)模式，又不會(huì)因?yàn)閿?shù)量過多造成資源的浪費(fèi)和故障所帶來的高成本，最終達(dá)到最優(yōu)的性價(jià)比。在此之后的研究中，如果沒有一種更好的新結(jié)構(gòu)能兼顧上述問題，就會(huì)繼續(xù)探索驅(qū)動(dòng)裝置數(shù)量和推進(jìn)性能兩者之間的平衡關(guān)系。

在材料方面，一方面是鰭條的材料。由于水下MPF推進(jìn)機(jī)器人鰭條材料需滿足一定的強(qiáng)度，所以在以前的研究中鰭條材料多為記憶合金，但其記憶性能的退化性和能量轉(zhuǎn)化以及工作響應(yīng)頻率的低效率暫時(shí)還沒有得到較好的解決。也有其他材料如聚酰胺材料的選用的出現(xiàn)，它們的低密度確實(shí)是提高能量轉(zhuǎn)化率的一大優(yōu)點(diǎn)，但其吸水易膨脹的特性使得這種替代方案也難以真正意義上實(shí)現(xiàn)。合金作為鰭條材料也相對(duì)較多，其強(qiáng)度毋庸置疑，但其質(zhì)量和成本以及形狀的塑造難度較大。因此目前的研究趨勢(shì)是通過ABS等材料進(jìn)行制作鰭條材料，ABS材料的輕質(zhì)高強(qiáng)度、化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定的特性且可進(jìn)行3D打印來進(jìn)行復(fù)雜形狀的實(shí)現(xiàn)，更好地適應(yīng)機(jī)體結(jié)構(gòu)可以滿足制作和應(yīng)用水下MPF推進(jìn)機(jī)器人鰭條的多元化需求，或?qū)⒊蔀橥蟮陌l(fā)展趨勢(shì)。另一方面是鰭面的材料，水下MPF推進(jìn)機(jī)器人鰭面材料存在柔韌性和柔軟度的要求，鰭面材料的選擇多為類橡膠材料如乳膠、硅膠等。其中乳膠的性質(zhì)相對(duì)硅膠并不穩(wěn)定，且多為復(fù)合型材料，可能含有人體有害物質(zhì)（一種致癌物），同時(shí)考慮其老化速度快的壽命問題會(huì)使得維護(hù)成本大大增加；人造肌肉在鰭面材料的選擇上也存在，是一種新型智能高分子材料，和生物肌肉十分相似，但是其價(jià)格高昂，成本較高；在近幾年的研究中發(fā)現(xiàn)橡膠材料用作水下MPF推進(jìn)機(jī)器人鰭面材料更為合適，氟橡膠和硅膠的良好的化學(xué)性質(zhì)和力學(xué)特性可以實(shí)現(xiàn)鰭面的運(yùn)動(dòng)進(jìn)而滿足水下MPF推進(jìn)機(jī)器人的正常運(yùn)動(dòng)。在往后的研究中，通過材料配比進(jìn)行特殊混合橡膠材質(zhì)的自主研發(fā)或許將成為一大研究重點(diǎn)。

在流體分析方面，目前國內(nèi)外對(duì)長(zhǎng)鰭波動(dòng)的研究仍然處于初級(jí)階段，盡管對(duì)于長(zhǎng)鰭波動(dòng)已經(jīng)開展了相對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)仿真分析、運(yùn)動(dòng)建模、實(shí)驗(yàn)分析，從壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)等方面研究了影響長(zhǎng)鰭推進(jìn)力的影響因素，但關(guān)于長(zhǎng)鰭波動(dòng)推進(jìn)效率的定量分析仍然較少。由于長(zhǎng)鰭在波動(dòng)運(yùn)動(dòng)過程中與周圍流體的作用機(jī)理非常復(fù)雜，使精確的推進(jìn)效率計(jì)算十分困難，而目前對(duì)于推進(jìn)效率的計(jì)算研究過程中均對(duì)于波動(dòng)模型進(jìn)行了一定的假設(shè)和理想化，其分析論證結(jié)果的準(zhǔn)確性和適用性仍有非常大的局限性，對(duì)于工程應(yīng)用方面仍需繼續(xù)探索。如今國內(nèi)對(duì)于BCF推進(jìn)研究占主流方向，在原理方面BCF與MPF相似度較高，對(duì)于MPF推進(jìn)的研究則迫切需要更多的投入。

3 結(jié)語

對(duì)于水下長(zhǎng)鰭波動(dòng)式MPF推進(jìn)模式機(jī)器人的研究，在研究開始的前幾年，就已經(jīng)基于各種可能的運(yùn)動(dòng)模式在原理和結(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行了假設(shè)構(gòu)想及實(shí)現(xiàn)可能性的探尋，在材料方面對(duì)于力學(xué)特性和運(yùn)動(dòng)的影響在一開始并未進(jìn)行細(xì)致的研究。隨著材料學(xué)科和計(jì)算機(jī)學(xué)科以及一些其他綜合學(xué)科的不斷發(fā)展，對(duì)于該類機(jī)器人未來的發(fā)展與完善可以通過更加先進(jìn)的材料來制作其仿生結(jié)構(gòu)，并使用更加高效的計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)來協(xié)助進(jìn)行流體力學(xué)模型的建立和計(jì)算，而在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)數(shù)學(xué)原理的探索上，也有望產(chǎn)生新的突破，從而得到更加精細(xì)、精準(zhǔn)的結(jié)論。