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近日，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所機器人學(xué)研究室微納米課題組設(shè)計開發(fā)了一款基于仿生肌肉驅(qū)動與嵌入式柔性感知的軟體機器魚，相關(guān)成果發(fā)表于機器人領(lǐng)域1區(qū)Top期刊IEEE Transactions on Robotics（T-RO）。

軟體機器魚的仿生機制

作為自然界進(jìn)化了億萬年的產(chǎn)物，魚類的高效游動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。并且在游動過程中，白肌的響應(yīng)速度會相對更快。魚類正是通過感知-驅(qū)動系統(tǒng)的協(xié)同作用，及時感知周圍環(huán)境的變化，自適應(yīng)調(diào)整不同部位肌肉的激活強度和次序，進(jìn)而調(diào)整身體的運動學(xué)和游動方式實現(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)動的驅(qū)感一體化多模態(tài)軟體機器魚設(shè)計方法,在多驅(qū)動單元協(xié)同控制策略、嵌入式柔性感知系統(tǒng)、環(huán)境自適應(yīng)智能切換三個方面取得了突破：①協(xié)同控制：機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)動單元與傳感元件的一體化軟體驅(qū)動器組成。其中，軟體驅(qū)動器為多層的柱狀結(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器魚提供支撐，多層柔性薄膜模擬于魚的肌肉組織，為機器魚提供形變和動力。②柔性感知：為了模擬魚類的肌肉側(cè)線系統(tǒng)并實現(xiàn)同步驅(qū)動和傳感，研究團隊提出利用和驅(qū)動器相同的本體材料，設(shè)計并開發(fā)了高精度的柔性應(yīng)變傳感器并首次集成到機器魚中，可幫助機器魚實時感知游動狀態(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模態(tài)。③環(huán)境適應(yīng)：通過協(xié)同控制多仿生肌肉單元的激勵幅值和次序，機器魚可以成功復(fù)現(xiàn)自然魚類的多種游動模態(tài)，并適應(yīng)不同的游動環(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，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。機器魚可以利用嵌入式柔性傳感元件實時感知周圍環(huán)境變化并自適應(yīng)切換到最佳游動模態(tài)實現(xiàn)有效推進(jìn)。相較同類軟體水下機器人，該機器魚首次實現(xiàn)驅(qū)動-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。

沈陽自動化研究所團隊長期關(guān)注仿生與類生命機器人的相關(guān)研究，積極推動機器人技術(shù)與生命科學(xué)的融合，該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、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)域青年團隊計劃、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會以及機器人學(xué)國家重點實驗室項目的支持。

機器魚在不同環(huán)境下的游動特性

（機器人學(xué)研究室）

論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10848317

DOI: 10.1109/TRO.2025.3532520

來源：中國科學(xué)院沈陽自動化研究所