仿生水下航行器

仿生水下航行器

  

  前面介绍的水下航行器的设计，大部分都是螺旋桨推进，虽然目前仍然广泛用于各种成熟的产品或者研发作品中，但是不得不承认的是螺旋桨在水下的推进的效率较低，对水下环境的扰动较大，不利于隐蔽，对水下生态环境的破坏也较为严重。另外螺旋桨推进器的动密封和可靠性较差，在水下性能表现较差。所以其使用范围有限，近年来对仿生型水下航行器的研究也越来越多，也研发出很多的成熟的仿生型水下航行器。

  
  早在1936年，英国生物学家James Gray对海豚每日摄取的食物含量及推算了海豚一天做的功，结果得到了一个不可思议的结论：海豚所做的功是其食物热量的7倍。从此人类对鱼类的减阻之谜称为Gray疑题，对仿生水下航行器的设计也爆发式的增长。

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• 1 鱼类

  Breder根据鱼类推进所使用的身体部位的不同将鱼类运动方式分为BCF推进模式和MPF推进模式

  BCF推进模式使大多数鱼类采用的游动方式，通过波动或者摆动部分身体和尾鳍的方式，利用涡流将水向身后推射从而利用水的反作用力实现鱼体的向前运动，在高速巡游时，可实现较高的游动效率，一般80%以上。且加速和起动性能较好[1]。
  

  
  图2 第一代模式仿生机器鱼的诞生及发展[2]
  
  BCF模式仿生机器鱼最新研究进展的代表性作品[2]

  
  MPF推进模式主要以背鳍、腹鳍、胸鳍和臀鳍作为主要推进部位，在低速的情况下，可保持较高的机动性、稳定性以及较高的游动效率，一般可实现精确的六自由度运动、水下位置保持及转向等动作，但是难以实现高速游动且加速性能不足。

  
   feost公司的仿生蝠鲼

  

  

• 2 蛇类

  像蛇一样借助尾巴的摆动实现在水中的自由游动，其运动灵活，可以完成较为复杂的任务环境，到一些潜水员或者其他水下航行器因为外型原因不能到达的位置，拥有很好的灵活性和自由度。
  
  
  挪威科技大学与kongsberg合作，共同研发机器蛇Eelume

  

• 3 龟类

  龟类在水里并不是像地面上慢吞吞的，而是在水里游的很快而且很灵敏，其独特的推进方式也是给了科研人员很多启发，尤其是对水陆两栖机器龟的研究。
  
  

  瑞士联邦理工学院（ETH Zurich）的研究人员研发的海龟机器人

• 4 水母类

  为了水下侦察的需要，近些年来对水下水母章鱼的研究也越来越多，但是其整体为柔性生物，仅凭借对腔体大小改变实现转向和固定轨迹运动，但是其游动稳定性差，方向不易控制，是一大待解决的难题。

  
意大利研发出仿生章鱼水下机器人
  
  
  图片来自水印

  

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  其他的这里就不在一一列举了，水下生物长期在水下生活，既然能存活就有其存在的道理，就有我们借鉴的地方，但是对水下航行器的运动模型的仿真是目前的一个重要的研究领域，研究其为何在水下有这么高的游动效率，如何最大可能的减小其游动过程中对水流的扰动。仿生型水下航行器的制作主要有以下研究重点.
  

• 1 驱动机理

  上述各种水下生物的驱动方式各不相同，怎么用数值模拟的方法来研究其运动机理、优化其运功从而指导水下航行器的设计与制作，是目前的基础理论研究，也是其首要任务。

• 2 驱动装置

  除了目前电力、气动、液压机械转化外，新型材料的研发也慢慢的成熟，形状记忆合金(SMA)、电致动聚合物(EPA)、压电材料(PZT)等等，目前新型材料在水下航行器的应用也成为越来越多的学者的研究对象。其

• 3 控制技术

  在对运动机理研究较为透彻、驱动装置成熟的情况下，控制技术也是目前研究一大问题，例如在周围有流场的情况下稳定航行、机动提高效率。

• 4 外形材料

  不止优化流线型的外形可以达到减阻的效果，仿生机器人的最外层材料对阻力也有较大的影响，材料并不是越光滑越能达到减阻的效果，实际上在水下减阻效果好的像鲨鱼皮一样不是绝对光滑的。

• 5 集群的配合

  有些任务比如勘察任务并不适合单个机器人执行，而是多个水下机器人的配合，如拉网式的对大片海域进行勘察，这样情况下一般都是需要多个航行器之间的配合。

    
  

  部分引自以下论文，有兴趣的可以学习
  [1]王扬威,于凯,闫勇程.BCF推进模式仿生机器鱼的研究现状与发展趋势[J].微特电机,2016,44(01):75-80+89.
  [2]章永华. 柔性仿生波动鳍推进理论与实验研究[D].中国科学技术大学,2008.