摘要：魚類出色的游泳性能很大程度歸功于它們能自主調節肌肉的剛度，這可以幫助它們在不同的速度和復雜的環境中保持高效游泳。為了模仿這一特性，華南理工大學鐘勇團隊基于層阻塞原理提出了一種新型的變剛度仿生機器魚尾，它能在不改變外型的前提下快響應、大范圍地在線調節自身剛度，提高仿生機器魚的游動性能。為了模仿魚類肌肉剛度能夠變化的特點，研究團隊采取層阻塞技術來設計順從式魚尾，結構如圖1a-b所示。TPU彈性片的四周包裹著柔軟的硅膠外皮，使內部成為一個密閉的空間，多根碳纖維棒嵌入在尾巴的末端以提升尾鰭的硬度。由于魚尾的制造涉及不同材料，需要分多個步驟進行。TPU彈性片可直接3D打印，硅膠外皮則需要澆筑來完成，模具如圖1c所示，實物如圖1d所示。圖1 魚尾設計與制造（a）模型前視圖（b）模型俯視圖（c）澆筑模具（d）魚尾實物出于指導變剛度魚尾設計的目的，研究團隊對其進行了建模。魚尾的剛度主要依賴于層阻塞結構，當魚尾內腔的負壓變化時，層阻塞將在三個階段間切換：（1）預滑移（最大剛度）；（2）局部滑移（剛度開始降低）；（3）完全滑移（剛度最小）。該研究通過將只適用于小撓度的層阻塞靜力學模型與偽剛體模型相結合，構建了能描述柔性魚尾大撓度彎曲的模型（圖2），為變剛度魚尾的設計提供了理論指導。在魚尾變剛度能力的驗證中，研究團隊通過懸掛30g的砝碼來測試不同負壓下魚尾的撓度變化，通過觀察可知（圖3）魚尾的剛度變化范圍接近10倍，且整個過程外形沒有發生改變，始終維持著良好的流線性。圖3 剛度實驗（a）魚尾形變（b）撓度變化（c）魚尾外型變化（d）剛度變化進一步地，研究團隊還進行了推力實驗，測試魚尾在不同擺動頻率及不同剛度下產生的靜推力，實驗臺如圖4所示。實驗中負壓力被設置為五組，并以五種頻率驅動，擺動范圍為±20°。每組實驗進行三次循環，凈推力結果如表1所示，可以看到隨著驅動頻率增加，魚尾內腔的負壓也應隨著增大（變硬）以產生更大的靜推力，該結果也驗證了所設計的變剛度魚尾能幫助仿生機器魚在更廣的驅動頻率范圍內提高游動性能。該研究提出了一種基于層阻塞結構的變剛度仿生機器魚尾，通過對尾巴內部腔體進行抽真空處理，可使其剛度提升近10倍。為了預測變剛度魚尾在水中擺動時的中線形態，將層阻塞力學特性與偽剛體模型（PRBM）相結合，構建了能描述柔性魚尾大撓度彎曲的模型。最終通過一系列實驗，驗證了尾巴的變剛度性能及其對仿生機器魚游動性能提升的作用。該研究得到了廣東省海洋經濟發展(海洋六大產業)專項、國家自然科學基金、廣東省自然科學基金等項目的支持，第一作者為博士研究生洪梓村，通訊作者為鐘勇教授。https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aisy.202400189Wiley旗下智能系統領域開放獲取旗艦刊。期刊收錄關于具有刺激或指令響應智能的人造裝置系統的研究，包括機器人、自動化、人工智能、機器學習、人機交互、智能傳感和程序化自組裝等前沿應用。Advanced Intelligent Systems最新的期刊引文指標1.11，期刊影響因子6.8，在計算機科學，人工智能和自動化與控制系統中分類皆為Q1。(源自Clarivate 2023)
