魔鬼鱼通过翼状胸鳍实现引人注目的振荡游动，这为设计潜在的快速、高效且机动性强的软体游泳机器人提供了丰富的灵感。然而，在单一软体游动机器人中如何结合高速、高效率和高机动性，同时只需要简单的驱动与控制方式，仍然是一项巨大的挑战。为应对水下复杂的障碍环境，对于保持稳定的游动姿态和碰撞时的高韧性也是亟待解决的难题。
近日，北卡州立大学（NCSU）尹杰团队联合弗吉尼亚大学（UVA）董海波团队和Daniel Quinn团队提出了一种利用单稳态软体扑翼的自发弹跳冲程，仿魔鬼鱼软体游动机器人。该单稳态扑翼通过气动驱动瞬间完成向下的弹跳冲程，而在放气后，由弹性恢复力驱动，其将自发快速弹回初始状态完成向上的冲程，无需额外能量消耗。这种机制极大地简化了设计、驱动与控制，使得该游动器实现了创纪录的高速（6.8体长/秒）、高能效、高机动性及在水下障碍环境中的高碰撞韧性，仅通过调节单一输入的驱动频率即可完成复杂的水下巡航。
北京时间2024年12月5日，论文以“Spontaneous snapping-induced jet flows for fast, maneuverable surface and underwater soft flapping swimmer”为题，在线发表在Science Advances上。论文第一作者博士生清海涛（NCSU），其他作者包括博士生郭佳诚（UVA），朱远航博士（UVA；现任加州大学河滨分校（UCR）助理教授），赤银鼎博士（NCSU），洪尧烨博士（NCSU），UVA的董海波教授和Daniel Quinn教授。论文通讯作者为尹杰教授。
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单稳态拍动翼软体游动器的设计：实现高速与高机动性
研究团队基于之前的双稳态扑翼软体游动机器人的结构，通过将两条平行聚酯柔性带的末端连接，可以自发形成一对双稳态的预弯曲框架翼（图1A，i-ii）。不同的是，通过热处理部分释放扑翼中预存的弹性应变能，使双稳态扑翼转变为单稳态（图1A，ii-iii）。因此，为驱动单稳态翼的拍动，仅需一个软体气动弯曲驱动器作为主体，其顶部嵌有单层气道，如图1A(i)所示。图1B和图1C展示了双稳态与单稳态扑翼软体游动机器人在驱动行为上的显著差异。对于热处理前后的双稳态和单稳态翼，其初始凹形构型均表示一个稳定状态。充气驱动气道膨胀使软体主体向下弯曲，推动翼发生快速突跳并完成向下冲程。对于双稳态翼，在放气甚至在负压作用下，扑翼会保持在凸形构型（图1B）。除非在扑翼的底部增加另一层气道（如我们之前的双稳态拍动翼游动器设计所示），否则无法驱动其弹回到初始构型。相比之下，对于单稳态扑翼，在放气后，扑翼会自发快速弹回并完成向上的冲程，回到其唯一的稳定状态，这是由弹性恢复力驱动的（图1C）。这种差异源于：在双稳态翼中，凸形构型对应于第二个稳定状态，而在单稳态翼中，凸形构型则是一个不稳定状态。单稳态设计中的自发快速弹回带来了许多双稳态设计无法实现的优势和独特的游动能力，因此，单稳态设计在低驱动频率1.67 Hz下即可实现6.8体长/秒的高速游动，比双稳态设计速度快近2倍，同时保持高能效，且能耗降低了1.6倍。该速度是最快高频尾拍游动机器人Tunabot（4.0体长/秒，尾拍频率15 Hz）的1.7倍以上，也显著快于其他游动机器人，甚至可与快速游动的北大西洋鲑鱼相媲美。而且，相较于之前提出的双稳态游动机器人，单稳态设计展现了额外的能力，包括负载运输、高机动性（通过调节驱动频率调控浮力，在不同深度游动并穿越水下障碍物），以及在撞击障碍物后仍能稳定游动的抗碰撞性能（图1E）。
图1. 单稳态拍动翼软体游动器的示意设计与制造。
高速且高能效的单稳态扑翼游动机器人
图2A和图3A分别展示了单稳态扑翼机器人在水面附近进行自由游动（侧视图）和原地游动（等距视图）时的时间序列步态变化，这些变化对应一次驱动周期内的向下冲程和向上回弹恢复。在充气过程中，软体主体向下弯曲，逐步驱动扑翼逆时针旋转并完成向下冲程。随后，通过快速的自发弹跳，在短短21毫秒内实现了下冲加速（图2A-2B及图3A-3C），推动游动器前进。而在卸压后，机翼迅速自发弹回到初始构型，完成向上冲程以提供进一步的推进。回弹过程持续约36毫秒。翼尖的轨迹呈现出高度不对称的三维“8”字形（图3B），而软体主体则表现为二维弯曲运动（图3C），表明弹跳和回弹运动中存在显著的变形与运动不对称性。这一现象与双稳态游动机器人中观察到的对称“8”字形轨迹形成鲜明对比。因此，翼尖的运动表现出不对称的方波形态，而非双稳态游动机器人及其他仿魔鬼鱼推进器和游动机器人的正弦波形，这种方波运动进一步增强了推力。游动过程中，由于软体主体的波动，攻角变化呈现出正弦模式（图2C）。
图2. 单稳态扑翼机器人的游动表现。
图3. 固定尾部的单稳态软体扑翼游动机器人在气-水界面上的拍动和旋转运动。
单稳态引起的流体动力学用于实现高速和高效能
为了更好地理解观察到的高速和高效单稳态游动机器人的潜在机制，我们结合了粒子图像测速（PIV）实验和计算流体力学（CFD）模拟，揭示了单稳态扑翼游动机器人的拍动不稳定性引起的推力生成机制，这是之前关于双稳态扑翼设计的研究中未曾探索过的。图4中的实验和模拟结果揭示了其推力生成机制。软体游动机器人在快递跳变瞬间（图4A和图4D）和快速弹回瞬间（图4B和图4E）拍动过程中分别产生一对逆向旋涡。这些旋涡偶极及其产生的喷流负责推力的生成。在平均尾流速度图（图4C和图4F）中，可以更清楚地捕捉到分叉的瞬间喷流。在拍动翅膀快递跳变时，正前缘旋涡（LEV）与释放出的正后缘旋涡（TEV）相结合，形成更强的TEV偶极，因此产生更强的喷流。然而，在快递弹回过程中并未观察到这种旋涡合并机制。因此，与快速弹回相比，快速跳变产生了更强的喷流和更大的推力。图4G-4K展示了快速跳变和快速弹回运动的三维尾流形成，并标出了关键旋涡。根据图4A-4E中的旋涡偶极，它们对应着强喷流，并且这些旋涡偶极被发现集中在机翼尖端区域。这些翼尖偶极是在快速跳变和快速弹回之后形成的，并伴随着高动量的快速跳变和快速弹回喷流，如图4K所示。这些喷流在翼尖附近形成强且集中的流动。此外，尾部旋涡环被发现形成在鳍的尾端附近。这些旋涡形成半环形，如图4G和图4I所示，并能在其中心诱导高动量流动，从而形成尾部喷流，如图4K所示。在平均尾流速度图（图4K）中，另一个具有显著流向动量的区域出现在鳍下方。该高动量区域的翼尖截面被捕捉在图4C和图4F中，这对应于瞬回运动过程中前缘旋涡（LEV）的形成。快速的拍动运动导致流体在鳍的前缘处形成环流，随后脱离并沿鳍的底面滚动，如图4A-4E和图4G-4J所示。由于LEV的存在，流体的环流增加，可能会从上游吸引流体，从而诱导下游快速流动。体部旋涡（图4H）以及一对尾部旋涡（图4I）的相互作用产生了朝前的流动，导致体后没有喷流形成。
图4. 单稳态引起的流体动力学在单稳态扑翼游动机器人中的应用。
通过水下障碍的稳定巡航
这款软体游泳机器人通过简单调整单输入驱动频率，展示了多模态的灵活游泳模式（见图5A）。在较高频率f=1.43Hz下，它能够迅速从水底游到水面，并在到达水面后稳定地过渡到快速的表面游泳模式，如图5A中的时间推移图所示，轨迹见图5B。随着频率略微降低（如 f=1.25Hz），它逐渐从水底上升至某一深度，并转变为巡航游泳模式（图5A，ii和图6B）。通过进一步降低驱动频率，例如 f=1.11Hz（图5A，iii和图5B），巡航深度可以继续减小。图5B中的游泳轨迹显示，随着频率的降低，上升角度（大致为斜率）也逐渐减小，直到 f=1Hz 时趋近于零。在 f=1Hz 时，它过渡到稳定的底部爬行模式，尽管其摆动的翅膀与水底表面存在相互作用（图5A，iv和图5B）。图5C显示了水平方向游泳距离随时间变化的情况。与在表面游动类似，随着驱动频率增加，平均的水下游泳速度（图5C中的斜率）也增加，这主要是因为更高频率下产生了更强的推力和升力。进一步探讨了其在游泳过程中携带负重的能力。图5D显示，在较高频率 f=1.43Hz 下，即使携带自重约2.2克的负载，软体游泳机器人仍然能够迅速游泳并从水底上升至水面。
该软体游泳机器人具备在不同深度的多模态表面和水下游泳能力，能够通过简单调节单输入驱动频率，在复杂的无结构水下环境中进行导航，甚至能有效避开障碍物（见图6A，i）。软体游泳机器人的上下运动通过平衡三个垂直力来实现：自重、浮力和升力。在操控过程中，体重保持恒定。浮力随着翼鳍在摆动过程中气囊的充气而增加（见图2A）。升力也在拍击过程中增大，因为向下偏转的快拍喷流比向上偏转的回弹喷流更强（见图4C和图4F）。这种喷流强度的差异可能导致了频率依赖的升力。因此，通过调节驱动频率可以实现受控的垂直操控。图6B显示了在操控过程中角度变化的对应关系。在 f=1.43Hz 时，浮力和升力的总和超过了体重，软性游泳机器人经历了正的垂直力，导致其上升（0 < t < 5秒）。当频率降低至 f=1Hz 时，机器人的升力减小，导致其由于重力开始下沉（5秒 < t < 11秒）。最后，当频率再次调回 f=1.43Hz 时，我们观察到机器人再次上升（t > 11秒）。
图5. 通过驱动频率调节软体扑翼游泳机器人在不同深度下的游泳。
图6. 通过简单的水下垂直障碍课程进行导航，具有较高的抗碰撞能力。
无缆软体游泳机器人的概念验证设计与户外游泳性能展示
图7A展示了对应的无缆设计的示意图，其中包含一个泡沫货舱，货舱内集成了电路板、电池和气泵，安装在软体游泳机器人的后方。图7B展示了该无缆单元的构成（电路板、电池和气泵）。为了提高操作效率，我们略微增大了气动软弯曲驱动器的尺寸、翼展长度和软带宽。图7C显示了软体游泳机器人在户外池塘中进行无人游泳时图像。
图7. 概念验证型无缆软体扑翼游泳机器人的设计与游泳性能。
展望
在这项工作中，我们展示了如何利用单稳态扑翼的自发弹回，为仿魔鬼鱼的软体扑翼游泳机器人实现前所未有的能力，包括在低能耗下的创纪录游泳速度、多模式的水面和水下游泳模式、高机动性以及在非结构化水下环境中的碰撞韧性，以及在扰动下的稳定游泳。与双稳态相比，单稳态可以大大简化设计、驱动和控制，从而在各种单稳态结构中产生快速且强大的周期性运动，这些结构可能广泛应用于空中、陆地和水下的快速和高效运动，或在软体机器人中的多模式应用。
论文信息：
H. Qing, J. Guo, Y. Zhu, Y. Chi, Y. Hong, D. Quinn, H. Dong, J. Yin, “Spontaneous snapping-induced jet flows for fast, maneuverable surface and underwater soft flapping swimmer”, Science Advances; 10, eadq4222 (2024), 10.1126/sciadv.adq4222
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