《Science Advances》仿海蝴蝶实现多模态运动：微型水下仿生机器人的设计与应用

微型水下机器人（特征尺寸小于10 cm）在考古、环境监测、管道巡检等领域具有广泛应用前景。相比传统尺寸的水下机器人，微型机器人在狭窄复杂环境中具有天然优势。现有仿生推进方法（如仿鱼、仿蛇、仿水母）通常只能沿一至二个自由度运动，难以满足狭小空间的高机动需求。

海蝴蝶作为在海洋中以身体两侧翼面扑动作为推进方式的海洋小型生物，以柔性扑翼实现多方向受力，灵活调整攻角，自由实现悬停、直行、俯仰、偏航等运动，提供了仿生设计的新思路，为微型仿生机器人设计提供了新的生物启发。

本研究基于此发展了多自由度微型机器人RoboPteropod，通过主动调节机身两侧仿生扑动模块的翼面攻角实现动力方向的实时转变，从而获得敏捷的模态切换能力。

基于压电驱动器、四杆机构与扑翼复合系统，研究团队首先建立了包括流体动压衰减效应在内的动力学模型。仿真与实验均表明，扑动频率升高导致扑翼角度衰减现象，且模型预测结果与实际测试吻合良好。扑动系统Reynolds数范围为193-617，与真实海蝴蝶（35-380）高度接近，体现了良好的仿生特性。通过调节仿生驱动模块的异相位扑动解决了低频下同相位扑动不对称脱落的涡导致的低频稳定性问题。

通过调整扑动频率与电压，RoboPteropod可实现5-35 cm深度范围内的悬停控制，浮升速度最高可达8.5 cm/s（1.88 BH/s）。并且通过调整机器人的控制信号，机器人可以实现在一定水深范围内多次循环运动。

主动将两侧双翼攻角调整至90°后，机器人在水平面实现直行，速度可达4.8 cm/s（1.2 BL/s）。同步调整双翼攻角（25-55°），可控制俯仰角，实现斜向上攀爬穿越障碍（pitch mode）；设置左右扑翼攻角相反（±15°），驱动机器人自转同时上浮，实现水下360°环境扫描（spiral mode）；采用频率差分控制左右扑翼驱动，实现最小转弯半径25 cm，同时通过攻角反向调整实现原地零半径转向，转向速度高达135°/s，明显优于现有微型水下机器人。

在模拟狭窄洞穴环境中（10 cm*14 cm），RoboPteropod可连续完成垂直攀升、水平穿越、转向、斜向上攀等动作，总用时28秒。多次实验表明，开环控制下3D轨迹误差均值仅46.18 mm，验证了良好的可重复性与控制精度。

本研究提出的RoboPteropod压电驱动柔性扑翼系统实现了紧凑尺寸下的水下多模态运动，无需复杂机械结构即可灵活切换运动模式。相比现有微型水下机器人，RoboPteropod在浮升速度、前进速度和转向能力等方面均表现优异，同时具备高稳定性与低能耗（COT = 23.25 J/kg·m）。

此外，压电驱动模块经过高压测试（30-100 MPa），为未来深海与高压环境探索提供了可能。未来将致力于集成微型传感器，实现闭环控制与自主导航，进一步扩展RoboPteropod在复杂水下环境中的应用潜力。

来源：Science Advances