通过分布式肌肉与嵌入式运动学传感提升软体机器鱼游动性能

相较于传统的螺旋桨驱动水下航行器,仿生水下航行器有望在效率、机动性以及环境兼容性方面更具优势。然而,要实现与生物相当的游动性能,需要兼具分布式肌肉与运动学反馈的软体游动机器人。本研究介绍了一种软体机器鱼的设计与游动性能,其沿体轴分布有可独立控制的肌肉与嵌入式运动学传感器。该软体游动机器人由内部柔性脊柱、三组沿轴向分布的 HASEL 人工肌肉、嵌入式应变片、流线型硅胶外壳以及外部电子设备组成。在固定构型下,当所有肌肉以同步拮抗方式驱动并在其第一共振频率(2 Hz)附近激励时,软体机器人可产生最大 7.9 mN 的推力。在第二共振频率(8 Hz)附近激励时,同步肌肉驱动可产生 5.0 mN 的推力。通过在肌肉驱动中引入顺序相位偏移,第二共振频率下的推力提升至 7.2 mN,相较于简单拮抗驱动增加了 44%。顺序肌肉驱动通过以下两方面提升推力:1) 提高尾鳍拍动速度;2) 使游动运动学中的行波成分增加四倍。此外,第二共振频率(8 Hz)下产生的推力几乎与第一共振(2 Hz)相当,而所需的尾鳍位移仅为后者的 $\approx 25\%$,表明在运动包络较小的受限环境中游动时,更高的共振频率具有优势。这些结果证明了可独立控制肌肉与分布式运动学传感的性能优势,此类软体游动机器人为应对感觉运动控制这一开放性挑战提供了平台。