【仿生杂谈】水下潜伏者——无噪声高速仿生水母机器人

近年来，在技术升级和市场需求增长的双重推动下，水下机器人相关研究蓬勃发展，并被逐步应用于海洋资源开发、地貌勘察、海洋垃圾清理等领域。目前水下机器人主要分成两大类：有缆遥控机器人为主的水下无人车辆（图1）和以仿生鱼、仿生章鱼等仿生类为主的无缆水下机器人（图2）。这些水下机器人主要由电机、液压泵等驱动，在水下作业时会产生噪音和振动，无法实现与水下生物的无噪音、温和交互，限制了其广泛应用。

图1 有缆遥控水下机器人

图2 仿生鱼

自然界中，水母是最节能的水下动物之一，它们的运动方式是基于喷射或划桨的游泳，并结合了流体推进和物体操纵，这有利于捕食运动。此外，水母柔软、可变形的身体结构使其能够适应和导航非结构化环境，使得水母成为指导新一代水下机器人设计的最受欢迎的动物模型之一。

图3 游动的水母

德国马克斯·普朗克智能系统研究所和瑞士苏黎世联邦理工学院联合设计了一款液压放大自愈静电（HASEL）驱动的可实现高速运动的无噪音水母机器人，该机器人由HASEL致动器结合刚性和柔性组件构成，机器人直径为160 mm，反重力速度能达到6.1 cm/s，能耗约为100 mW。该研究成果以A versatile jellyfish-like robotic platform for effective underwater propulsion and manipulation为题刊登在Science Advances期刊。

▍水母机器人的结构组成

水母机器人由HASEL致动器驱动，HASEL结合了介电质弹性驱动器（DEA）和液压作动器的优点，被称为人造肌肉，能够实现无噪声运动。水母机器人由类似触手的6个垂叶组成，如图4(B)所示，每个垂叶由2个密封薄膜组、柔性碳电极、液体介质、防水层、加筋层等以2D方式堆叠而成。为保证浮力中心位于机器人的顶部，机器人顶部对称放置了浮力单元。

该机器人通过电缆向垂叶上的碳电极施加高压，引起聚合物外壳两侧的液体介质发生位移，并增加致动器内部的压力，使得每个垂叶绕着连接结构发生旋转，从而产生强大划水力，保障机器人产生类似水母的划水运动。

水母机器人运动所需的高压信号由一个紧凑的电源控制模块产生。该模块由能源、微型控制单元、回扫电路和乘法器电路构成，如图4(C-D)所示。机器人通过控制电源模块在可控的循环中充电和放电，产生类似水母的划水运动。

图4 机器人的结构和驱动原理

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▍水母机器人机构与运动优化分析

为实现水母机器人最优机构设计与性能分析，该项目进行单关节与推进性能的优化实验。通过实验优化了单垂叶液体介质使用量以及每个致动器的几何形状（即电极的长度h，无电极壳体区域的长度r，以及壳体长度L，其中L = h + r），从而实现对每个关节的最大旋转角度θ_max的控制。研究人员在每个垂叶上布置了3个致动器，以实现90°的整体变形。研究人员通过实验和动态模拟系统地研究了 HASEL致动器两个驱动参数（即频率f和占空比D ）对平均推进速度v的影响，以分析机器人的最佳推进运动性能。

图5 单关节与推进性能的实验优化

▍动态性能验证与操作展示

当水母向前推进时，周围的液体通过压力场进入运动路径，并随着身体漂移。水母可以利用此特征和控制流体流动模式来捕获猎物。水母机器人也使用这种流体以非接触的方式操纵周围的物体。通过对比在不同频率f和占空比D下机器人对玻璃珠的控制能力，展示了水母机器人的操作性能，同时也开展了水母机器人的形状适应能力实验和流体混合实验。

图6 对玻璃珠的非接触式操作实验

图7 水母机器人流体混合与形状适应能力展示

该机器人的每个垂叶都能单独控制，研究人员将6个高压电极分为通道1（CH1）和通道2 （CH2），单独控制每个通道实现机器人的左右转向和物体抓取。该功能可广泛应用于各类海洋垃圾（如塑料瓶、渔网和橡胶手套等）的运输与清理。

图8 水母机器人控制转向运动过程

图9 水母机器人物体抓取与运输运动过程

多机器人协作控制是水下机器人研究的重要方向。针对单个机器人难以抓取和运输的物体，该项目展示了多个水母机器人的协作运输性能。如图10所示，2个机器人可以同时抓住口罩的2个牵引带，或协同运输透明胶带。

图10 多机器人协同操作任务展示

为了将HASEL水母机器人应用于现实世界，研究人员为自主环境应用设计了一个全无线版本的原型，该原型机通过红外控制器遥控发射机器人。并在水箱和室外池塘中测试了无线机器人的运动性能。如图11所示，样机可连续工作1 h以上。无线原型机的平均推进速度为1.97 cm/s，CoT为15.88 J/kg·m。

图11 全无线版本水母机器人室外实验展示

▍水母机器人未来展望

目前的水母机器人性能距离真实现场场景的应用还有一定的差距。在后续研究中，需要改进平台材料，提高机器人在水下环境中的稳健性、可靠性和使用寿命等；需要开展安全稳定的高压电路和可生物降解材料的探索研究，减少对环境的潜在损坏。

原文信息：

Wang T, Joo H J, Song S, et al. "A versatile jellyfish-like robotic platform for effective underwater propulsion and manipulation." Science Advances, 2023, 9(15): eadg0292.

DOI: 10.1126/sciadv.adg029

下载地址：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg0292

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作者 | 路广林

编辑 | 唐   秋

审核 | 许力琴