一种基于层阻塞原理的新型变刚度仿生机器鱼尾

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摘要：鱼类出色的游泳性能很大程度归功于它们能自主调节肌肉的刚度，这可以帮助它们在不同的速度和复杂的环境中保持高效游泳。为了模仿这一特性，华南理工大学钟勇团队基于层阻塞原理提出了一种新型的变刚度仿生机器鱼尾，它能在不改变外型的前提下快响应、大范围地在线调节自身刚度，提高仿生机器鱼的游动性能。

关键词：柔顺机构，层阻塞，仿生机器鱼，变刚度

正文导读

变刚度鱼尾的设计与制造

为了模仿鱼类肌肉刚度能够变化的特点，研究团队采取层阻塞技术来设计顺从式鱼尾，结构如图1a-b所示。TPU弹性片的四周包裹着柔软的硅胶外皮，使内部成为一个密闭的空间，多根碳纤维棒嵌入在尾巴的末端以提升尾鳍的硬度。由于鱼尾的制造涉及不同材料，需要分多个步骤进行。TPU弹性片可直接3D打印，硅胶外皮则需要浇筑来完成，模具如图1c所示，实物如图1d所示。

图1 鱼尾设计与制造（a）模型前视图（b）模型俯视图（c）浇筑模具（d）鱼尾实物

变刚度鱼尾的建模：

出于指导变刚度鱼尾设计的目的，研究团队对其进行了建模。鱼尾的刚度主要依赖于层阻塞结构，当鱼尾内腔的负压变化时，层阻塞将在三个阶段间切换：（1）预滑移（最大刚度）；（2）局部滑移（刚度开始降低）；（3）完全滑移（刚度最小）。该研究通过将只适用于小挠度的层阻塞静力学模型与伪刚体模型相结合，构建了能描述柔性鱼尾大挠度弯曲的模型（图2），为变刚度鱼尾的设计提供了理论指导。

图2 变刚度鱼尾的建模

实验验证：

在鱼尾变刚度能力的验证中，研究团队通过悬挂30g的砝码来测试不同负压下鱼尾的挠度变化，通过观察可知（图3）鱼尾的刚度变化范围接近10倍，且整个过程外形没有发生改变，始终维持着良好的流线性。

图3 刚度实验（a）鱼尾形变（b）挠度变化（c）鱼尾外型变化（d）刚度变化

进一步地，研究团队还进行了推力实验，测试鱼尾在不同摆动频率及不同刚度下产生的静推力，实验台如图4所示。实验中负压力被设置为五组，并以五种频率驱动，摆动范围为±20°。每组实验进行三次循环，净推力结果如表1所示，可以看到随着驱动频率增加，鱼尾内腔的负压也应随着增大（变硬）以产生更大的静推力，该结果也验证了所设计的变刚度鱼尾能帮助仿生机器鱼在更广的驱动频率范围内提高游动性能。

图4 推力测试实验台

表1 不同驱动频率及不同负压下的静推力

结论

该研究提出了一种基于层阻塞结构的变刚度仿生机器鱼尾，通过对尾巴内部腔体进行抽真空处理，可使其刚度提升近10倍。为了预测变刚度鱼尾在水中摆动时的中线形态，将层阻塞力学特性与伪刚体模型（PRBM）相结合，构建了能描述柔性鱼尾大挠度弯曲的模型。最终通过一系列实验，验证了尾巴的变刚度性能及其对仿生机器鱼游动性能提升的作用。

该研究得到了广东省海洋经济发展(海洋六大产业)专项、国家自然科学基金、广东省自然科学基金等项目的支持，第一作者为博士研究生洪梓村，通讯作者为钟勇教授。

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期刊简介

Wiley旗下智能系统领域开放获取旗舰刊。期刊收录关于具有刺激或指令响应智能的人造装置系统的研究，包括机器人、自动化、人工智能、机器学习、人机交互、智能传感和程序化自组装等前沿应用。Advanced Intelligent Systems最新的期刊引文指标1.11，期刊影响因子6.8，在计算机科学，人工智能和自动化与控制系统中分类皆为Q1。(源自Clarivate 2023)

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