自然界中的水生生物因其生活環境和捕食方式的差異，演化出了多種多樣的游動策略。在這些策略中，頭足類動物，例如魷魚和鸚鵡螺，通過從其腔體中快速噴射水流來實現快速游動，從而具有游動速度快、能量效率高等優勢，同時具備靜音、結構簡單、適應環境廣等特點。

但人工模仿這種高效推進方式存在挑戰：目前尚缺乏一種能像生物肌肉一樣在水下同時實現高驅動應變、高驅動力和高驅動速度的人工肌肉，因而無法有效驅動封閉性柔性腔室快速噴射水體，完成高效噴水推進。

▍突破水下驅動瓶頸，研發新型仿生噴射機器人

近期的研究發現，將液晶彈性體(LCE)纖維通過繩結結構編織成肌肉后，其在水下甚至深海環境中的驅動性能可獲得顯著提升，并表現出優異的力學響應和環境適應性。然而，這種人工肌肉在水下的驅動速率仍顯不足，單靠其自身的牽拉作用難以實現對腔室的快速擠壓，因此尚難滿足高頻、高流量噴射推進的嚴苛要求。

針對這一問題，來自北京大學的劉珂研究員團隊進行了深入研究，并提出了一種實現水下仿生噴射的可縮放機器人設計方案。該機器人的推進力源于一種創新設計策略，集成了導電繩結人工肌肉、仿折紙軟殼和機載控制模塊。基于液晶彈性體的導電繩結人工肌肉在水下具備大變形和大驅動力的特征，通過仿折紙軟殼積蓄人工肌肉的牽引力，可在其達到一定閾值時，觸發屈曲極限，從而快速收縮軟殼，實現高效的水體噴射。整個系統可通過機載控制模塊和電池輕松操控，實現無纜游動。

圖1 水下仿生噴射軟體機器人的設計

在這一驅動機制下，機器人最高可實現每秒0.6個體長的游泳速度。通過集成控制模塊并放大整體尺寸，該機器人還能實現無纜水下推進，單次噴射循環游動距離達15厘米。此外，該系統展現出優異的魯棒性，即使在人工肌肉部分受損的情況下仍能保持正常的推進能力。通過復合集成由形狀記憶合金制成的尾舵，機器人還能夠在紅外光控制下實現轉向游動。

日前，該研究成果的相關論文已以“Scalable jet swimmer driven by pulsatile artificial muscles and soft chamber buckling”為題在《Advanced Materials》上發表。論文第一作者為北京大學博士生陳雯慧，通訊作者為劉珂研究員，共同作者還包括朱馳研究員。該項研究成果獲得了國家重點研發計劃智能機器人專項和國家自然科學基金的資助。

圖2研究成果相關發表信息

▍三大創新成果：仿生水下噴射軟體機器人的系統設計

水下仿生噴射軟體機器人基于智能材料與智能結構的協同設計，結合了可在水下實現大線性應變和高輸出力密度的導電繩結人工肌肉、受折紙結構啟發的軟殼以及定制控制模塊。具體來說：

• 繩結人工肌肉(KnottedArtificial Muscles, KAM)

研究團隊開發的高性能繩結人工肌肉通過創新材料設計和制造工藝，解決了傳統人工肌肉在水下環境中驅動力不足、驅動變形小等關鍵問題，大幅提升了水下軟體機器人的驅動能力。

圖3導電繩結人工肌肉的水下驅動性能

在KAM制備上，研究團隊首先通過3D打印技術制作了500微米直徑的液晶彈性體(LCE)纖維，這種材料具有78℃的相變溫度，能實現可逆收縮。在核心工藝環節，研究團隊采用了一種創新的水渦旋方法：通過利用400轉/分鐘的旋轉磁子在水中產生渦流，使7微米直徑的極細不銹鋼纖維在向心力作用下均勻包覆在LCE纖維表面，形成具有導電性能的人工肌肉纖維。為增強驅動力，實現最佳的力-應變平衡，研究團隊經多次嘗試后將8根導電人工肌肉纖維集合成束，編織成具有繩結結構的人工肌肉。

水下環境的復雜性一直是人工肌肉面臨的主要挑戰。為此，研究團隊開發了一種創新的防水解決方案，通過使用分子量10000的未固化丁基橡膠防水涂層，成功解決了水下散熱難題，使其水下驅動應變從35%提升至55%，循環壽命從675次大幅延長至5000次以上，高輸出力密度達到6?N/g。同時，KAM表現出超強的負載能力，能量密度達到100J/kg，是生物肌肉的兩倍，可舉起自身重量900倍的物體。即使在50%纖維束損壞的極端情況下，KAM也仍能保持30%的驅動應變，展現出優異的魯棒性。

• 受折紙結構啟發的軟殼

盡管KAM性能優異，但仍面臨與其他柔性驅動器相同的挑戰：其在水下的變形速率仍然不足以產生較大的噴射水流。為此，研究團隊受鸚鵡螺的游泳機制啟發，進一步設計了一種受折紙結構啟發的軟性屈曲殼體。

圖4仿折紙軟殼的彈性不穩定屈曲設計原理

該仿折紙軟殼利用倒模工藝由彈性硅膠制備，可在較大的尺寸范圍內縮放而不影響其驅動性能。其核心創新在于其獨特的"臨界觸發"工作機制。研究人員發現，當KAM的拉力達到臨界值前，軟殼保持穩定形態積蓄能量；一旦超過閾值，軟殼會觸發屈曲極限，在極短時間內快速收縮，實現高效的水體噴射。

圖5仿折紙軟殼的設計與噴水推進原理

這種工作模式完美解決了傳統設計中能量轉化效率不足的問題。流體仿真與實驗結果表明，軟殼在受拉屈曲和彈性恢復兩個階段均可產生可觀的推進力，使機器人實現最高達0.6體長每秒的游泳速度。此外，實驗還驗證了即便在人工肌肉受損的情況下，折紙軟殼依然能夠保持屈曲響應，提升水下噴射機器人的魯棒性。

在實際應用中，研究團隊提出的仿折紙軟殼與球體軟殼相比，壓縮的突然性更強、所需要的平均力更低。

圖6仿生水下噴射軟體機器人的驅動表現

• 定制控制模塊

通過將這樣的水下噴射機器人設計擴大一倍尺寸再與控制模塊（含電池）相結合，研究團隊實現了水下仿生噴射軟體機器人的無纜水下驅動。

研究團隊在軟性屈曲殼體兩側引入單向軟管閥后，機器人在軟殼屈曲排水與回彈吸水的過程中能夠產生方向一致的水流，從而實現有效推進。

通過集成控制模塊，該機器人還能實現無纜水下推進，單次噴射循環游動距離達15厘米。利用形狀記憶合金薄片制成的尾舵，無纜水下機器人還能在紅外光的驅動下實現導向游動，展現出了靈活的可操控運動能力。

圖7水下仿生噴射軟體機器人的無纜游動

▍結語

該研究融合了智能材料與智能結構，通過其協同設計，構建了能在水下進行高效仿生脈沖噴射的軟體機器人。該設計方案為水下軟體機器人設計提供了全新的思路，展示了軟體結構靜音驅動的巨大潛力。未來，通過在該類噴射軟體機器人上集成更完善的功能模塊和控制系統，有望實現其在水下復雜環境的自主巡航和探測。

參考文章：

https://doi.org/10.1002/adma.202503777

北京大學劉珂課題組-博士后招收啟事

北京大學劉珂課題組誠聘博士后，背景專業不限，與課題組研究方向契合者優先。優秀者可推薦博新計劃或博雅博后。

劉珂，北京大學先進制造與機器人學院研究員，國家級青年人才，經血管植入器械全國重點實驗室學術顧問。2013年于浙江大學獲學士學位，2019 年獲得美國佐治亞理工學院博士學位，師從美國工程院院士Glaucio H. Paulino教授，并榮獲年度最佳博士論文獎。2019年至2021年任美國加州理工學院任博士后研究員。主要研究方向為柔性結構與軟體機器，包括柔性結構力學、軟體機器人、可展結構、超材料、人工智能設計算法等。入選愛思唯爾2024全球前2%頂尖科學家“年度影響力”榜單。以第一作者或通訊作者在Science、Science Robotics、Advanced Materials、Nature Communications、Advanced Science、PRL等國際知名期刊發文20余篇。2022 年榮獲美國機械工程師協會（ASME）授予的梅爾維爾獎章（Melville Medal），2023年獲熊有倫智湖優秀青年學者獎。

聯系方式：liuke@pku.edu.cn