系留与下潜深度对波动式机器人游动性能的影响
流体动力学
2026-05-06 v1
摘要
在过去几十年中，仿生机器人实验极大地增进了我们对波动式游动的理解。与动物实验相比，机器人实验提供了可重复性和受控的参数变化，但机器人运行所受的约束与其自然对应物所经历的约束不同。自由游动的机器人通常停留在水面，而大多数波动式鱼类（包括鳗鱼）在运动过程中通常是完全下潜的。专注于下潜游动的研究通常依赖系留机器人来维持深度控制。本研究使用波动式机器人游泳者 1-guilla，考察了水面与下潜游动以及系留与自由游动对性能的影响。该机器人在两种配置下进行了测试：在泳池中自由游动，以及在水面和直至三个体高深度的不同下潜深度下的水槽中系留游动。我们改变了运动学输入参数，并以游动速度、运输成本和身体运动学来量化性能。我们的结果显示，在水面，系留游动达到了与自由游动相当的速度，但能量成本更低。运输成本的这种降低归因于系留操作期间身体侧倾的抑制。相对于水面游动性能，增加下潜深度使最大速度和能量效率均提高了 10% 以上。由于下潜时身体运动学保持不变，水面附近的性能不足归因于波浪阻力的增加。总体而言，我们的发现为系留和自由游动机器人研究中获得的结果差异提供了解释和见解，突显了水面运动的水动力学挑战，并有助于解释为什么自然波动式游泳者主要偏好下潜推进。
引用
@article{arxiv.2605.03850,
title = {Tethering and depth of submergence affect the swimming performance of undulatory robots},
author = {Alexandros Anastasiadis and Auke J. Ijspeert and Karen Mulleners},
journal= {arXiv preprint arXiv:2605.03850},
year = {2026}
}