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近日，中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)研究室微納米課題組設(shè)計(jì)開發(fā)了一款基于仿生肌肉驅(qū)動(dòng)與嵌入式柔性感知的軟體機(jī)器魚，相關(guān)成果發(fā)表于機(jī)器人領(lǐng)域Top期刊IEEE Transactions on Robotics（T-RO）。

軟體機(jī)器魚的仿生機(jī)制

作為自然界進(jìn)化了億萬年的產(chǎn)物，魚類的高效游動(dòng)行為主要和高靈敏度的側(cè)線感知系統(tǒng)以及高度發(fā)達(dá)可控的肌肉驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)密切相關(guān)。

相關(guān)研究表明，魚體兩側(cè)的肌肉主要分為白肌和紅肌，其中白肌提供爆發(fā)力，紅肌提供耐力。并且在游動(dòng)過程中，白肌的響應(yīng)速度會(huì)相對更快。魚類正是通過感知-驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的協(xié)同作用，及時(shí)感知周圍環(huán)境的變化，自適應(yīng)調(diào)整不同部位肌肉的激活強(qiáng)度和次序，進(jìn)而調(diào)整身體的運(yùn)動(dòng)學(xué)和游動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)最優(yōu)推進(jìn)。

受此啟發(fā)，研究人員提出了基于仿生人工肌肉驅(qū)動(dòng)的驅(qū)感一體化多模態(tài)軟體機(jī)器魚設(shè)計(jì)方法, 在多驅(qū)動(dòng)單元協(xié)同控制策略、嵌入式柔性感知系統(tǒng)、環(huán)境自適應(yīng)智能切換三個(gè)方面取得了突破：

01

協(xié)同控制：

機(jī)器魚以鯖魚為仿生原型，由3D打印的柔性仿生結(jié)構(gòu)和集成多種驅(qū)動(dòng)單元與傳感元件的一體化軟體驅(qū)動(dòng)器組成。其中，軟體驅(qū)動(dòng)器為多層的柱狀結(jié)構(gòu)，由壓縮彈簧、介電彈性體（DE）薄膜和柔性電極構(gòu)成。類似魚類脊柱的壓縮彈簧為機(jī)器魚提供支撐，多層柔性薄膜模擬于魚的肌肉組織，為機(jī)器魚提供形變和動(dòng)力。

02

柔性感知：

為了模擬魚類的肌肉側(cè)線系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)同步驅(qū)動(dòng)和傳感，研究團(tuán)隊(duì)提出利用和驅(qū)動(dòng)器相同的本體材料，設(shè)計(jì)并開發(fā)了高精度的柔性應(yīng)變傳感器并首次集成到機(jī)器魚中，可幫助機(jī)器魚實(shí)時(shí)感知游動(dòng)狀態(tài)和周圍流體環(huán)境變化，并自適應(yīng)的切換到最佳的游動(dòng)模態(tài)。

03

環(huán)境適應(yīng)：

通過協(xié)同控制多仿生肌肉單元的激勵(lì)幅值和次序，機(jī)器魚可以成功復(fù)現(xiàn)自然魚類的多種游動(dòng)模態(tài)，并適應(yīng)不同的游動(dòng)環(huán)境。例如C-type 1模式適合在狹窄空間作業(yè)，C-type 2模式適合在水中快速游動(dòng)，C-type 3模式適合湍流環(huán)境，而S-type更適合低雷諾數(shù)的粘度環(huán)境下游動(dòng)。機(jī)器魚可以利用嵌入式柔性傳感元件實(shí)時(shí)感知周圍環(huán)境變化并自適應(yīng)切換到最佳游動(dòng)模態(tài)實(shí)現(xiàn)有效推進(jìn)。相較同類軟體水下機(jī)器人，該機(jī)器魚首次實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)-感知-控制一體化，具有多種游泳模式數(shù)量（4種）與感知能力。

機(jī)器魚在不同環(huán)境下的游動(dòng)特性

沈陽自動(dòng)化研究所團(tuán)隊(duì)長期關(guān)注仿生與類生命機(jī)器人的相關(guān)研究，積極推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)與生命科學(xué)的融合，該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金，中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)以及機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的支持。

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論文鏈接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/10848317

DOI: 10.1109/TRO.2025.3532520

• 信息來源：中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化所。

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