传统驱动方式下的机器鱼——探索传统驱动机器鱼的特点和缺陷

1994年，美国麻省理工学院成功研制了世界上第一条真正意义上的仿生机器鱼“Robotuna”，如图2-30（a）所示。通过模仿蓝鳍金枪鱼的尾鳍推进原理，研究者们成功克服了传统水下机器人连续工作时间短的限制，使该机器鱼的推进效率达到91%[63]。“Robotuna”的动力部分由6台2.21 kW电机驱动，其整体结构由多达2843个零件组成。该机器鱼尺寸为1.25 m×0.3 m×0.2 m，游动速度可达1.67 BL/s（BL指体长，即Body Length）。

图2-30　传统驱动方式驱动的机器鱼

（a）机器鱼Robotuna；（b）机器鱼VCUUV；（c）机器鱼Fish-G9；（d）气动机器鱼；（e）机器鱼SPC-Ⅱ

1998年，美国麻省理工学院与Draper实验室联合研制了仿黄鳍金枪鱼“VCUUV”，如图2-30（b）所示。该机器鱼采用循环液压驱动，用于探索鱼类如何利用涡流辅助推进，其自主游动实验显示了该机器鱼具有良好的减阻性能。这款机器鱼的具体尺寸为2.4 m×0.5 m×0.4 m，尾鳍展长0.65 m，重136 kg，驱动频率1 Hz时获得最高游速0.5 BL/s，最大转弯速度75°/s。(www.xing528.com)

2005年，英国埃塞克斯大学研制了一种仿生机器鲤鱼“Fish-G9”，如图2-30（c）所示。其由三个伺服电机构成尾部驱动并利用直流电机调节重心，微型水泵改变机器鱼自身重量，使之能够实现自主三维游动。通过研究机器鱼的流体力学机制，研究者们实现了对机器鲤鱼更为精确的游动控制，研究者们还对该机器鲤鱼的直线巡游和C型启动做了相关的研究。该机器鲤鱼体长为0.52 m，最快游速可达1 BL/s，最小转弯半径为0.3 BL。

2011年，意大利圣安娜高级学校生物机械研究所研制了一条由多关节构成的仿生七鳃鳗。其利用相邻关节内永磁铁磁极之间的相斥和相吸作用来驱动自身，并通过规律性变换磁极方向来实现机器鱼身体的规律性波动。实验证明该驱动方式具有很高的效率，其在最佳游动状态下可实现5 h的续航。该机器鱼还采用了基于双目视觉的视觉导航系统来辅助其自主游动。其总长为0.99 m，在0.6 Hz驱动频率下波长为1.2 m时，最高游速为0.7 BL/s。

2013年，麻省理工学院电气工程与计算机科学系研制了一种气压驱动的新型仿生机器鱼，如图2-30（d）所示。该机器鱼的能源由一个8 g的二氧化碳的高压气罐供给，直接利用高压流体驱动，无须能量转化，从而提高了驱动效率。该机器鱼同时具备快速加速性能和持续运动能力，研究发现，其逃生响应模式下的运动性能和可控性与真实鱼类接近。该机器鱼全长339 mm，柔性尾部长159 mm，其中尾鳍长34 mm，宽51 mm。

2003年，北京航空航天大学机器人研究所研制成功了SPC-II机器鱼（见图2-30（e）），它的问世在国内具有典型代表意义。该机器鱼由两台150 W的伺服电机驱动，其设计首要考虑了游动的稳定性，其控制系统可实现手动控制、航向控制和GPS航线游动3种模式，并且可以自主调节各关节的摆动频率、幅度和相位差。SPC-Ⅱ长度约为1.2 m，最高游速为1.17 BL/s，转弯速度为30°/s，最小转弯半径为1 BL。

随着智能材料的发展，越来越多的仿生机器鱼采用了与鱼类肌肉性能类似的智能材料作为致动器，简化了仿生机器鱼的推进装置，提升了动作柔性，降低了游动过程中的噪声以及改善了机器鱼的流体力学性能，使机器鱼的研制水平得到空前提高[64]。