机器鱼论文

仿生机器鱼国内外研究现状及分析

摘要：介绍了鱼类推进模式的分类及特点，分析了仿生机器鱼的特点。介绍了国内外仿生机器鱼研制的成果和现状，在此基础上分析了仿生机器鱼研究面临的几个主要问题。

关键词：机器鱼；推进模式；升潜模式；现状

引言

长期生活在水下的鱼类，经过多年的进化，形成了十分完备的游动性能和器官。水下推进器的设计目标希望具有效率高、速度快、灵活性好等优点，而鱼类游动恰好具有这些优点，从而在世界范围内兴起了仿生机器鱼研究的热潮。由于其具有的特点，从而在军事等各个方面都有广泛的发展前景。

1)要求作业时间长、范围大，但本身承载能力或承载空间有限、不能加载太多能源的场合；

2)要求机动性能高的场合，如管道检测，管道内部结构复杂，采用微小型机器鱼可较好地完成作业任务；

3)海洋生物观察．常规螺旋桨推进器噪声大，对环境的扰动大，使水下运动装置很难接近所要观察的海洋生物，采用微小型机器鱼有望解决这一问题；

4)海底勘探及海洋救捞等。采用仿生推进方式可以容易地进入环境复杂的海洋空间，如沉船内部，珊瑚礁群，完成常规潜器所不能完成的作业任务；

5)军用方面。由于机器鱼噪声低、对环境扰动小、不易被声纳发现、易于隐蔽，它不仅为人们研制新型高效、低噪声、机动灵活的柔性潜艇提供了新的思路，而且可直接进行水下侦察，发现敌方雷区，跟踪及摧毁敌方潜艇。

鉴于仿生机器鱼的诸多优点，国内外学者越来越重视新型仿生机器鱼的研究与开发，取得了很多阶段性的成果，设计了各种各样的机器鱼样机，机器鱼的理论和实验研究已渐显规模。

1、仿生机器鱼的分类及特点

1.1、鱼类推进模式分类

1）喷射式。乌贼、鱿鱼、水母等依靠身体躯干的特殊构造，它们由身体内部的特殊部位向后挤压水流产生后向推力，利用动量守恒定理向前推进。

2）鳗鲡模式。即鳗行式，如鳗鱼、水蛇等，如图1所示，它们的游动犹如正弦波形的前进一样，把身体当作推进器，用从头到尾波动身体来游动。

3）醪科模式。波动主要集中在身体后2/3部分，推进力主要由具有一定刚度的尾鳍产生，推进速度和推进效率较鳗鲡模式高，在速度、加速度和可控性三者之间有最好的平衡。

4）在醪科加新月型尾鳍模式，鱼的前体基本失去柔性，推进运动仅限于身体后1/3部分，特别是尾鳍至尾柄处。通过具有一定刚度、高展弦比尾鳍的运动，鱼体产生超过90％的推进力。该模式适于长时间高速巡游，海洋中游速最快的鱼类如鲨鱼和金枪鱼几乎都采用该推进模式。快速(巡游速度高达20节)和高效推进(流体推进效率高达80%以上)的优点，使醪科加月牙尾推进成为仿生推进研究的热点。

5）胸鳍摆动/波动式模式。推进所产生的推进力和推进效率最低，大部分鱼类主要通过胸鳍的摆动/波动来提高游动的机动性或作辅助推进。

1.2、仿生机器鱼的特点

1）高效性。鱼类游动的推进效率高达90%以上，这使得鱼类能够在力量有限、能量消耗相对较少的情况下达到相当的速度并具有持久的耐力，而当前螺旋桨船舶的推进总效率不超过60%。

2）机动性。主要表现在两点：加速特性和转向特性。鱼类运动不像当前的螺旋桨推进方式，推进与转弯分离，鱼类通过胸鳍和尾鳍有机配合，实现推进与转弯的有机统一，但在当前的螺旋桨推进方式下的舰艇在高速行驶时需要很大的转向半径。

3）低噪性。螺旋桨在高速旋转时会产生过多不需要的紊流、非定常的涡流和热量，还会伴随产生大量的空泡噪音、扰动噪音。而鱼类的游动方式摆动频率低、柔性好，能最大限度地降低其它不必要的能量损失，充分利用并控制涡流，不产生漩涡尾迹，有利于隐身和突防，具有重要的军事价值。

2、机器鱼的国内外研究现状

2.1、机器鱼的国外研究现状

对鱼类推进模式的研究是仿生机器鱼研制的基础，国外学者很早就致力于这方面的工作。

随着高新技术的发展，1994年MT研究组成功研制了世界上第一条真正意义上的仿生金枪鱼，开启了机器鱼研制的先河。此后，结合仿生学、材料学、机械学和自动控制的新发展，机器鱼研制渐成热点，表2给出了国外一些典型的机器鱼研究项目。从表中可以看出，美国和日本进行的机器鱼研究比较多，取得的成果也比较多。

1）在美国，1994年，世界上第一条机器鱼Robotuna在MIT诞生，其研究目的是研制一种能克服目前水下潜器连续工作时间短、高效、快速的水下推进系统。该鱼长约1.2 m，通过躯体和尾鳍的摆动，能像真鱼一样游动，速度可达2 m/s。1995年,MIT推出了Robotuna的改进版机器鱼“Pike”，旨在研究鱼的机动性和静止状态下的加速性。1998年,Draper实验室推出了Robotuna的最高版本VCUUV。VCUUV 仿黄鳍金枪鱼建造，长8英尺(约2.44 m)，重300磅。其目的在于开发一种利用涡控制推进的自主水下机器人，并通过自由的游动显示良好的减阻性、提高的机动

性、方向稳定性、深度保持能力和更高的加、减速性能。VCUUV可用来完成海底勘探、排雷布雷和光缆铺设等任务。

除了MIT外，1996年，美国新墨西哥大学研究小组将高分子电解质离子交换膜镀在仿生鱼鳍的金属簿片上，通过外加电场实现人造合成肌肉运动，产生了类似鳗鱼的游动方式。东北大学海洋科学中心用形状记忆合金和链杆结构开发了波动推进的机器鳗鱼，通过身体侧鳍的波动，机器鳗鱼不仅能驱动自身穿越水柱，而且能控制其浮游深度。如果将多机器鳗鱼构建成一多智能体系统，可以用于潮汐区和江河的科学考察。1999年，德州农工大学宇航工程系应用SMA驱动技术开发了一种带脊柱的水下仿生潜器。基于二维波动板理论，SMA驱动单元不仅可以实现水翼的力和力矩控制，而且能够产生向前的推进力。

2）在日本，90年代初，名古屋大学Toshio Fukuda教授开始了微型仿鱼水下推进器的研究，他先后研制出采用形状记忆合金驱动的微型身体波动式水下推进器和压电陶瓷驱动的双鳍鱼型微机器人。在微型身体波动式水下推进器中，T.FulaKla提出了一种波形合成产生驱动力的方法。所提出的SMA驱动器由几种模态的SMA构成，根据SMA激励方式的不同，通过波形合成产生多种形状来模拟鳗鲡目鱼类的身体波动，产生推进力，从而实现机器人的水下浮游。1995年，东海大学的Kato实验室开发了研究人工胸鳍机动性和推进的测试平台——仿黑色鲈鱼机器鱼。1998年，Shuoxiang Guo和Toshio Fukuda等人研制了一种以离子交换聚合薄膜(ICPF)作为尾鳍驱动元件的微机器鱼样机。

为了研究最优推进方法，开发高推进性能的智能型水下机器人，从1999年开始，运输省船舶技术研究所(SRI)开始了一系列的实验机器鱼项目研究.其中，PF-300用来研究转弯性能；PF-600用来研究推进效率；S-FPsE2000(2000年9月研制)用来研究半自由活塞型斯特灵发动机的推进效率，半自由活塞型斯特灵发动机是SRI研制的一种新型发动机，该发动机的输出可直接用于机器鱼的尾鳍摆动，而不需要使用调速齿轮机构；PF-700主要用于获取更高的推进速度；而UPF-2001旨在研究机器鱼的高性能和多用途；在UPF-2001的基础上，最新研制的PPF-09已具有三维运动的功能，即能实现上升下潜。

此外还有加拿大、比利时、英国都研究制作了机器鱼并且取得了一定结果，在这里不做详细介绍了。

2.2、国内及其与研究现状

在鱼类推进机理研究和仿生机器鱼研制方面，国内起步较晚。80年代中后期，中国科技大学的童秉纲和程健宇博士采用半解析-半数值的方法，提出了三维波动板理论，得到了国际上鱼类生物力学研究群体的广为运用和认同。1994年华中理工大学开展了柔性尾鳍推进装置的实验与理论研究，初步探讨了尾鳍参数与推进效率之间的关系；哈尔滨工程大学在国防基金的支持下开展了仿生机器章鱼的