弗吉尼亚大学的教授 Dan Quinn 和博士后钟强通过结合生物力学、流体力学与机器人学，揭示了如何利用动态弹性调节来实现高效游动的原理，相关研究成果已发表在最新一期的《Science Robotics》上。
这款仿金枪鱼的机器人尾部装备了弹性调节执行器，能够根据游动速度实时调整尾巴的弹性。来源：Qiang Zhong（钟强），Daniel Quinn /UniveRsITy of ViRginia。
传统的螺旋桨驱动潜航器在特定巡航速度下能保持较高的推进效率，但在高速与低速间往往难以兼顾。自然界中的鱼类则能够在更广的速度范围内实现优异的游动效率，关键在于鱼类由肌肉构成的柔性身体。受到这一启发，研究人员开发出多种仿生机器鱼系统，利用液压驱动和仿生肌腱模拟鱼体结构。然而，选择合适的弹性设计依然是一个挑战。
不当的弹性结构设计可能会影响机器鱼的游动性能，使其推进速度和效率远逊于生物原型。机器鱼尾部的刚度就像自行车的变速齿轮。固定弹性的机器鱼就如同无法变速的自行车，骑行在山路上会非常吃力。而通过变速机制，我们可以为不同的骑行条件选择最佳挡位，从而节省体力。因此，深入研究尾部弹性对游动性能的影响以及相关的流体力学机制，对未来高性能仿生水下潜航器的开发至关重要。
在最新的《Science Robotics》文章中，Dan Quinn教授和钟强博士后揭示了通过动态弹性调节实现高效游动的方式。该研究介绍了一种具备动态尾部弹性调节的机器金枪鱼平台，可以根据当前游动速度通过可编程的人造肌腱自动调整尾巴刚度。实验表明，这种动态弹性调节使机器金枪鱼的游动速度调节范围更广，同时推进效率接近100%。这一方法解决了目前柔性仿生机器鱼的性能瓶颈，并为未来高频率、高速的大型仿生水下潜航系统提供了新的解决方案。
论文地址：https://Robotics.scienceMag.oRg/content/6/57/eabe4088
在材料硬度难以把控的情况下，不妨借鉴鱼类自我调节尾部“硬度”的方法。
生物学研究表明，鱼类在肌肉驱动尾部摆动的同时，部分肌肉也用于身体弹性调节，以实现更高的推进效率。金枪鱼通过全身的肌腱系统来调节尾巴的弹性。然而，由于其结构特性，无法在活体金枪鱼上直接测试动态弹性调节对游动性能的影响。
为了理解金枪鱼在变速游动中的弹性调节机制及其流体力学原理，我们以金枪鱼的解剖结构为基础进行建模，并设计了机器金枪鱼平台。与以往的仿生学研究不同，我们专注于减少鱼体结构的复杂性，重点研究尾部弹性对游动性能的影响。此外，我们还开发了高频率驱动装置，使机器金枪鱼能够达到类似真实金枪鱼的游动频率（约7赫兹）。
基于真实金枪鱼结构与简化数学建模设计的机器金枪鱼。
结合流体力学与机器人学，探讨鱼尾如何实现“硬度”变化
在本研究中，我们从流体力学建模和实验两方面入手，全面研究动态弹性调节对游动性能的影响。通过结合鱼体的动力学模型与非定常空气动力学模型（TheodoRsen Model），我们能够用数学模型对动态弹性调节和鱼体游动性能进行预测。此外，我们还开发了一套智能信息物理实验系统，并在设计的机器金枪鱼上进行了大量实验。
流体力学实验结果与数学模型预测高度一致，表明尾巴弹性应依据游速平方比例进行调节，以实现最佳游动性能。
研究发现，尾巴的弹性系数在变速游动中应随着游动速度的平方比例增加，通过这种简单调节可实现最高的推进效率。为进一步验证动态弹性调节在真实环境中的有效性，我们利用信息物理实验系统模拟了长期机动游动任务，在与金枪鱼相似的游动参数范围内（摆动频率：0到6赫兹，游动速度：0到2体长每秒），动态弹性调节的推进效率提升接近100%。
动态弹性调节展现出广泛的应用前景
我们提出的动态弹性调节方法解决了长期困扰研究人员的柔性仿生机器鱼性能瓶颈，为未来设计高频率、高速的大型仿生水下潜航系统提供了理论基础。这项研究成果不仅适用于当前的机器金枪鱼平台，还能扩展到许多其他仿生推进应用场景。根据我们的模型预测，动态弹性调节特别适合于大型、高速、高频率的仿生潜航器。这一研究为未来高性能仿生推进系统的开发提供了新的解决方案，有望显著提升仿生柔性机器系统的推进性能及应用能力，让柔性智能设备从实验室走向复杂的海洋作业环境。
