魚(yú)類能在水中疾速穿梭，只需輕擺尾部就能靈活轉(zhuǎn)向。研究人員一直試圖讓水下機(jī)器人實(shí)現(xiàn)類似效果，中國(guó)某研究團(tuán)隊(duì)已取得突破性進(jìn)展 —— 他們研發(fā)的柔性電磁鰭，可推動(dòng)水下機(jī)器人以每秒 405 毫米（相當(dāng)于 1.66 倍體長(zhǎng)）的速度游動(dòng)，轉(zhuǎn)向半徑僅為 0.86 倍體長(zhǎng)。

該研究由浙江大學(xué)海洋傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室助理教授周方浩指導(dǎo)。周方浩指出，魚(yú)類具備敏捷、高效且適應(yīng)性強(qiáng)的特質(zhì)，如何通過(guò)機(jī)器人技術(shù)模擬這些特性是一大挑戰(zhàn)。

“傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人鰭能產(chǎn)生強(qiáng)勁推力，但通常體積龐大、結(jié)構(gòu)僵硬。” 他說(shuō)，“而柔性驅(qū)動(dòng)器雖具備靈活性，卻往往動(dòng)力不足，難以實(shí)際應(yīng)用。我們的目標(biāo)是融合兩者優(yōu)勢(shì)，打造出像真實(shí)肌肉一樣，緊湊、強(qiáng)勁且靈活的驅(qū)動(dòng)器。”

新型鰭片的研發(fā)原理

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款帶彈性關(guān)節(jié)的柔性電磁鰭，其擺動(dòng)時(shí)摩擦力極小，核心結(jié)構(gòu)由兩個(gè)小型線圈和球形磁鐵構(gòu)成。當(dāng)交流電通過(guò)線圈時(shí)，會(huì)產(chǎn)生振蕩磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)鰭片像魚(yú)尾一樣來(lái)回?cái)[動(dòng)；磁場(chǎng)停止振蕩時(shí)，鰭片則回歸中立靜止位置。

團(tuán)隊(duì)成員、周方浩實(shí)驗(yàn)室的博士生王哲介紹，他們不僅在水中成功操控了這款仿生鰭，還建立了一套將電輸入與水動(dòng)力推力輸出相關(guān)聯(lián)的數(shù)學(xué)模型。“這意味著僅通過(guò)輸入電流，就能預(yù)測(cè)鰭片在水下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這在柔性機(jī)器人領(lǐng)域并不常見(jiàn)。”

在他們的實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用高速相機(jī)和精密力傳感器來(lái)測(cè)量鰭片的軌跡及其產(chǎn)生的推力，盡管鰭片僅重 0.493 克，但峰值推力為 17 牛頓。

周方浩表示，該機(jī)器人系統(tǒng)體積小、重量輕且動(dòng)力強(qiáng)勁，易于擴(kuò)展為多鰭系統(tǒng)。但他也提到，當(dāng)前設(shè)計(jì)存在能耗較高的問(wèn)題：“電磁線圈需要消耗大量電流，導(dǎo)致游動(dòng)續(xù)航時(shí)間相對(duì)較短。我們正在探索降低能量損耗的方法，比如優(yōu)化線圈幾何結(jié)構(gòu)、采用能量回收電路，以及應(yīng)用無(wú)需持續(xù)激勵(lì)的智能控制策略。”

應(yīng)用前景與后續(xù)規(guī)劃

研究人員預(yù)計(jì)，該機(jī)器人系統(tǒng)可應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，包括水下探索、生態(tài)監(jiān)測(cè)和檢測(cè)任務(wù)，例如安全地與珊瑚礁及海洋生物進(jìn)行交互。

“下一步，我們將研究多鰭協(xié)同運(yùn)動(dòng)，讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)更靈活、更逼真的游動(dòng)行為。” 王哲說(shuō)，“同時(shí)，我們也在探索提升能效、延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間的方法，并進(jìn)一步微型化系統(tǒng)，以適配小型自主水下平臺(tái)。”