自然界中的水生生物因其生活環境和捕食方式的差異，演化出了多種多樣的游動策略。在這些策略中，頭足類的脈沖噴射游動具有更高的相對游泳速度及運動效率，同時具備靜音、結構簡單、適應環境廣等特點。人工模仿這種高效推進方式的主要挑戰在于：目前尚缺乏一種能像生物肌肉一樣在水下同時實現高驅動應變、高驅動力和高驅動速度的人工肌肉，因而無法有效驅動封閉性柔性腔室快速噴射水體，完成高效推進。
圖1 水下仿生噴射軟體機器人的設計
針對這一問題，北京大學劉珂研究員團隊近日在《Advanced Materials》上發表題為“Scalable jet swimmer driven by pulsatile artificial muscle and soft chamber buckling”的研究論文，提出了一種實現水下仿生噴射的可縮放機器人設計方案（圖1）。該機器人基于智能材料與智能結構的協同設計，結合了可在水下實現高效驅動的導電繩結人工肌肉，以及受折紙結構啟發的軟性屈曲殼體。這種折紙軟殼可以積蓄人工肌肉的牽引力，并在其達到一定閾值時，觸發屈曲極限，將人工肌肉的收縮速率放大三倍以上，從而快速收縮軟殼，實現高效噴水。該軟殼利用倒模工藝由彈性硅膠制備，可在較大的尺寸范圍內縮放而不影響其驅動性能。在這一驅動機制下，機器人在小尺寸時最高可實現每秒0.6個體長的游泳速度。通過放大腔體并集成控制模塊與電池，該機器人還能實現無纜水下推進，單次噴射循環游動距離達15厘米。此外，該系統展現出優異的魯棒性，即使在人工肌肉部分受損的情況下仍能保持正常的推進能力。通過增加由形狀記憶合金制成的尾舵，機器人還能夠在紅外光控制下實現轉向游動。
圖2 折紙軟殼的設計與噴水推進原理
圖3 水下仿生噴射軟體機器人的定向無纜游動
這項研究融合了智能材料與智能結構，通過其協同設計，實現了能在水下進行高效仿生脈沖噴射的軟體機器人。該設計方案為水下軟體機器人設計提供了全新的思路，展示了軟體結構靜音驅動的巨大潛力。未來，通過在該類噴射軟體機器人上集成更完善的功能模塊和控制系統，有望實現其在復雜水下環境的自主巡航和探測。
該項研究成果獲得了國家重點研發計劃智能機器人專項和國家自然科學基金的資助。北京大學博士生陳雯慧為第一作者，劉珂研究員為通訊作者，朱馳研究員為共同作者。