機(jī)器魚模仿運(yùn)動方式，可以以獨(dú)特的運(yùn)動方式在水中和陸地運(yùn)動。機(jī)器魚長250 mm，通過直流電機(jī)驅(qū)動。
機(jī)器魚有兩個(gè)胸鰭和一個(gè)尾鰭，在水中游動時(shí)靠胸鱔和尾鰭擺動推進(jìn)，胸鰭還可以控制上浮或下沉，而在陸地上可以通過胸鰭的旋轉(zhuǎn)使機(jī)器魚前進(jìn)。機(jī)器魚可以實(shí)現(xiàn)0．37 rns的游動速度。
機(jī)器人利用柔性鉸鏈和差式杠桿放大原理驅(qū)動側(cè)翼擺動實(shí)現(xiàn)水中游動?xùn)|北大學(xué)研制了采用驅(qū)動的小型機(jī)器魚，如圖9所示：
機(jī)器魚采用紅外遙控控制，IPMc驅(qū)動器尺寸50 mm×lOmm．在2 5 V的正弦波電壓驅(qū)動下，可以實(shí)現(xiàn) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王振龍教授等人研制出sMA驅(qū)動的仿生微型機(jī)器魚。如圖10所示。
該微型機(jī)器魚由魚體和推進(jìn)段組成，沒有任何機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)，能夠模擬真魚的無聲柔性擺動推進(jìn)。
該機(jī)器魚總長146 mm，質(zhì)量30 g，利用無線電遙控。
機(jī)器魚實(shí)現(xiàn)了112 mm/s的游動速度和136 mm的轉(zhuǎn)彎半徑：模仿魚類夠科推進(jìn)模式游動時(shí)，尾鰭振幅峰值為26 mm，斯德魯哈爾數(shù)(s1)為0．58，較接近魚類游動的理想值O 25～O．35，表明機(jī)器魚可以在較為理想的狀態(tài)游動。
北京航空航天大學(xué)是國內(nèi)開展機(jī)器魚研究最早的單位之一，于1999年研制了模仿銀龍魚波動游動的機(jī)器魚。北京航空航天大學(xué)的梁建宏等人還研制出電機(jī)驅(qū)動的小型機(jī)器魚，如圖11所示。
小型機(jī)器魚是一條具有剛性頭部，柔性身體和剛性尾鰭的擺動推進(jìn)器�？傞L度約890 mm，總高度為550 mm。魚體頭部是一個(gè)半圓球，前部為圓柱形，尾部由直徑漸變的圓柱面貼合而成，以形成整體流線型的外部形狀，在尾部帶有一個(gè)尾鰭，作為提供推進(jìn)力的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)。魚體的全部橫斷面都是圓
形，****橫斷面是一一個(gè)直徑110 mm的圓面.水中****速度為20 crn／s，****轉(zhuǎn)彎角速度為120°／s，最小轉(zhuǎn)彎半徑為40 cm。綜合性能測試實(shí)驗(yàn)和c形運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)表明，該機(jī)器魚具有較好的游動性能和較高的機(jī)動性能。北京大學(xué)研制出電機(jī)驅(qū)動的仿生機(jī)器魚，機(jī)器魚長380 mm，有玻璃鋼制造的頭部，通信系統(tǒng)和電源都放在頭部，有四個(gè)擺動關(guān)節(jié)，通過直流電動機(jī)驅(qū)動。
浙江大學(xué)的陳柏等人研制出電機(jī)驅(qū)動的仿生蝌蚪機(jī)器人，如圖12所示。
機(jī)器人在水中依靠尾部波狀擺動前進(jìn)。其柔性尾部擺動過程中，形狀類似于一列正弦波；機(jī)器人波狀尾部擺動時(shí)帶動它所包絡(luò)的液體向后流動，形成尾渦。
機(jī)器人受到向前的推力。
2微小型水下仿生機(jī)器人研究關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢
從上述研究現(xiàn)狀可以看出，微小型水下仿生機(jī)器人已經(jīng)成為微型機(jī)器人領(lǐng)域里研究的熱點(diǎn)。國內(nèi)外的眾多研究機(jī)構(gòu)都開展了相關(guān)研究：國外研究機(jī)構(gòu)的研究比較廣泛，采用電機(jī)和智能材料驅(qū)動器，研制了多種微小型水下仿生機(jī)器人，取得了豐富的研究成果。國內(nèi)開展微小型水下仿生機(jī)器人研究的機(jī)構(gòu)比較少，主要采用電機(jī)作為驅(qū)動器，采用智能材料驅(qū)動器的微小型水下仿生機(jī)器人還處于初期實(shí)驗(yàn)階段。微小型水下機(jī)器人推進(jìn)機(jī)理、微驅(qū)動器、控制技術(shù)、水下通訊技術(shù)和微小型能源等問題的研究將成為制約微小型水下機(jī)器人發(fā)展的關(guān)鍵。
2．1推進(jìn)機(jī)理研究
自然界具有游動本領(lǐng)的生物在幾百萬年的進(jìn)化過程中，進(jìn)化出了非凡的水中游動能力：經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者大量的實(shí)驗(yàn)研究證明，模仿生物的游動機(jī)理研制的水下仿生機(jī)器人可以以生物的推進(jìn)方式在水中靈活游動。
生物學(xué)家和有關(guān)機(jī)構(gòu)對魚類游動機(jī)理進(jìn)行了大量的研究，并創(chuàng)建相應(yīng)的推進(jìn)理淪。按照選取的主要作用力不同，目前的波動推進(jìn)理論可以分為抗力理論(Resve force theory和反作用力理論(Re—active forceeorv)兩大類，前者強(qiáng)調(diào)水的粘性力作用，后者強(qiáng)調(diào)推進(jìn)器在無粘流體中波動時(shí)的慣性力。反作用力理論發(fā)展迅速，相對較為完善并用于實(shí)際計(jì)算的主要有細(xì)長體理論(Elong bodytheory)、波動板理論(wav。plate the。ry)和作動盤理論(ActuI=l0r—dlscory)三種�，F(xiàn)有理論對于微小型仿生水下機(jī)器人的沒計(jì)有一定的指導(dǎo)意義，但是對于機(jī)器人的推進(jìn)力、推進(jìn)效率等參數(shù)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果還存在差距。
研究生物游動的機(jī)理，建立微小型水下仿生機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型，為仿生機(jī)器人研究提供理論基礎(chǔ)將是未來微小型水下仿生機(jī)器人研究的重點(diǎn)。
2 2微驅(qū)動器研究
微驅(qū)動器是微小型水下機(jī)器人的重要組成部分。微小型水下仿生機(jī)器人的驅(qū)動器主要包括：微型電機(jī)和智能材料(PzT、sMA、高分子材料)。微型電機(jī)驅(qū)動的機(jī)器人，推進(jìn)力大，游動速度快，但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、頻率低和噪聲大等問題。PzT是一種能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能材料，具有響應(yīng)快、驅(qū)動力大、驅(qū)動功率低和工作頻率寬等優(yōu)點(diǎn)，但是它所需的驅(qū)動電壓較高、位移量小、制作工藝比較復(fù)雜。sMA具有集驅(qū)動器與傳感器于一身的特色。它在相變過程中產(chǎn)生的回復(fù)力大，功重比(功率重量比)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電機(jī)。但sMA在藿復(fù)驅(qū)動過程中，記憶性能會逐漸退化，工作響應(yīng)頻率較低。高分子材料(IcPF、EAP和IPMc)是新型的智能材料，柔韌性好，驅(qū)動電壓低．變形量大，響應(yīng)性能好，但輸出力較小，且材料制備復(fù)雜。
PZT、sMA和高分子材料等智能材料具有集傳 感與執(zhí)行于一體、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，因而在微小型水 下仿生機(jī)器人驅(qū)動機(jī)構(gòu)的沒計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。研 究功耗低、輸出功率大、控制性能好的新型智能材料 驅(qū)動器將成為未來微小型水下仿生機(jī)器人研究的關(guān) 鍵問題。
2 3控制技術(shù)研究
在水下環(huán)境中保持游動的穩(wěn)定性和機(jī)動性，實(shí) 時(shí)地對環(huán)境進(jìn)行檢測，調(diào)整姿態(tài)，躲避障礙物，這些 功能的實(shí)現(xiàn)，主要依靠微小型水下仿生機(jī)器人的控 制系統(tǒng)。建立準(zhǔn)確的控制模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)控 制方法的應(yīng)用將是微小型水下仿生機(jī)器人研究的主 要問題。
2 4通訊技術(shù)研究
微小型水下仿生機(jī)器人在水下工作時(shí)與外界的 聯(lián)系受到諸多因素的影響。因此，如何實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn) 確的通信成為微小型水下仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中必 須要考慮的重要問題。
2 5微小型能源研究
微小型水下仿生機(jī)器人在水下工作時(shí)的能源供 給是制約機(jī)器人長時(shí)間穩(wěn)定工作的重要因素。因 此，開發(fā)大容量的高效能源是微小型水下仿生機(jī)器 人實(shí)用性的關(guān)鍵問題。
５ 結(jié)語
本文論述了微小型水下仿生機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 ，討論分析了微小型水下仿生機(jī)器人研究的關(guān)鍵問題和發(fā)展趨勢，。 隨著ＭＥＭＳ 相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，更多的新型微小型水下仿生機(jī)器人，將會出現(xiàn)�！∥⑿⌒头律聶C(jī)器人在海洋勘測。軍事 工業(yè)和醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
