当前位置：自然界中的鱼类是天然生成的游水健将。从杂乱环境中的灵敏络绎，到捕食瞬间的“爆发式”冲刺，它们好像总能完美适应环境。在自然界中，鱼类展现出高度适应环境的运动才能：它们既能在杂乱地势中灵敏络绎，也能在捕食和逃逸时完结爆发式高速推进。
这种才能来源于鱼类对身体动摇方法的精密调控。依据身体参加动摇的长度份额不同，鱼类演化出了鳗鲡科形式、亚鲹科形式、鲹科形式和金枪鱼形式4种BCF 游动方法。跟着参加摇摆的身体区域逐步向尾部会集，鱼类的游动速度和呈现出显着进步。其间，鳗鲡类鱼经过全身动摇取得极高的机动性，但游动速度较低；而金枪鱼类则经过增强躯干刚度、将摇摆会集于尾柄和尾鳍区域，在高速条件下仍能坚持杰出的推进功率。
← 灵敏性更高 (More Maneuverable) 速度更高 (Higher Speed)
长时间以来，一个中心科学问题没有得到充沛阐释：为何仅依托尾部摇摆的金枪鱼可以在必定程度上完结高频高速推进，而全身动摇的鳗鲡科鱼类却受到约束？
除形状与结构要素外，参加动摇的身体长度（即肌肉招募份额）被认为是要害但长时间被忽视的变量。因为生物肌电丈量的侵入性约束，相关假说难以直接验证。仿生机器鱼为逆向研讨鱼类游动机理供给了新途径，但现有机器鱼研讨往往堕入“专精化”的窘境：造出来仿照鳗鱼的机器鱼，灵敏但跑不快；仿照金枪鱼的机器鱼，速度快却转不了弯。每种规划都自成一体，硬件不同，难以直接比较。
该研讨开发了一种依据张拉全体结构与仿生变刚度肌肉的多模态机器鱼渠道。其中心是团队自主研制的仿生变刚度肌肉，依据层状堵塞原理完结关节刚度的快速、大幅调理。经过对尾部关节刚度散布的协同操控，机器鱼可在同一渠道上完结从高机动的“鳗鲡科形式”到高速冲刺的“金枪鱼形式”的自在切换，为体系提醒不同游动形式的生物力学机制供给了一致的试验渠道。
受鱼类肌节（肌肉分节）结构和肌肉刚度调理机制的启示，研讨团队创造性地规划了一条多模态软体机器鱼。它的身体中心是一个由四个张拉全体关节串联而成的“脊柱”。每个关节的奥妙在于其两边的四条仿生搅扰层肌肉（BJLM）。
这种肌肉由多层特别的弹性层叠加而成，层与层之间可以自在滑动。重点是，当研讨人员向这些肌肉内部施加负压（抽真空）时，多层结构会被紧紧压合，层间摩擦力剧增，整条肌肉会瞬间进步超越46倍刚度。
得益于这种兼具大刚度调理规模与快速呼应才能的“刚柔并济”特性，机器鱼的身体力学特点得以完结可编程调控。经过逻辑操控四个尾部关节的软硬散布，机器鱼可以在同一渠道上完结不同游动模态的快速切换：当一切关节处于低刚度状况时，全体表现为柔性主导的“鳗鲡形式”；而当近体侧关节被确定、仅保存尾端关节摇摆时，机器鱼则灵敏转变为适于高速巡航的“金枪鱼形式”。
Mode1 仿鳗鲡模态 Anguilliform-like [0000]
Mode4 仿金枪鱼模态 Thunniform-like [1110]
量化数据也显现，咱们的机器鱼运动形式与实在鱼类的调查成果高度一致，证明了咱们的渠道成功复现了自然界中的四种游动步态。
具有了这个高效的试验渠道，研讨团队得以初次在同一个身体上，准确量化不同游动战略的功能差异。
在经过深入研讨之后，研讨团队发现机器鱼的游速跟着确定关节数量的添加而继续进步。金枪鱼形式在5 Hz时到达最大游速1.24倍体长/秒（BL/s），而鳗鲡科形式在4 Hz以上呈现十分显着功能衰减。
运动学剖析标明，机器鱼游速由尾部振幅与鱼体波传达速度一起决议。鳗鲡科形式在高频下因刚度缺乏导致尾部振幅快速衰减；相比之下，金枪鱼形式依托高刚度躯干，在5 Hz下仍能保持较大尾部振幅，支撑鱼体波的高效传达（波长约为0.75–1.05倍体长，与实在鱼类高度一致）。
这标明，在高刚度支撑下，高频、大振幅与高波速的协同作用是金枪鱼形式完结高速巡航的要害。
核算流体动力学（CFD）数值仿真显现，鳗鲡科形式发生的尾涡破碎且无序，动量耗散较大，在头部与胸鳍邻近呈现十分显着高压阻力区，削弱了尾部推进作用。相比之下，金枪鱼形式的压力增强一直会集于尾部，构成激烈、规整的涡环，可以高效推进水体向后运动。
定量依据成果得出，金枪鱼形式下的推力随频率单调上升，而鳗鲡科形式在4 Hz后显着衰减；在5 Hz工况下，前者推力较后者进步142%。功率剖析进一步显现，鳗鲡科形式在低频下更节能，而金枪鱼形式在高频下更具优势。
游速最快的金枪鱼形式转弯半径最大，而鳗鲡科形式凭仗全身大幅度曲折展现出最优的灵敏性，其最小转弯半径仅为0.26 BL。其终究的原因在于鳗鲡科形式单次摇摆可发生约54.3°的身体转角，侧向力约为金枪鱼形式的3倍；而高刚度的金枪鱼形式受结构约束，单次转角仅为21.4°。该成果阐明，选用单一游动形式的机器人往往难以统筹快速性与灵敏性。
本研讨经过变模态操控战略成功打破了这一固有权衡。机器鱼可利用金枪鱼形式完结高速冲刺，也可灵敏切换至鳗鲡科形式完结灵活转向。在极限U型狭隘通道测验中，机器鱼选用“金枪鱼形式高速挨近—鳗鲡科形式转弯—金枪鱼形式加快”的多模态战略顺畅经过。相比之下，单一模态机器人则易呈现卡滞或功率严峻下降。
户外试验进一步验证，多模态切换才能是水下机器人在开阔水域与杂乱狭缝环境中完结高效灵敏通行的要害。这一打破不只可为杂乱水域环境下的生态监测、资源勘探及灾祸搜救作业供给渠道支撑，而且为研制兼具长续航和高机动性的新一代水下智能配备拓荒了全新的仿生途径。
该论文的榜首作者为北京大学先进制作与机器人学院博士研讨生王博和博士后李磊。北京大学先进制作与机器人学院喻俊志教授为仅有通讯作者。合作者包含我国科学院力学研讨所徐梦凡博士后、银波副研讨员，大连理工大学张捷助理研讨员，北京大学工学院本科生胡楠楠，北京大学先进制作与机器人学院硕士研讨生高文卓和博士研讨生莘展骅。
相关研讨得到了国家自然科学基金、北京市科技新星方案、河北省自然科学基金、国家赞助博士后研讨人员方案及我国博士后科学基金等的联合赞助。
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