乌贼游动机理及其在仿生水下机器人上的应用

针对大多数机器鱼未采用弹性机制来提高能量利用效率和耐压能力低等的不足,对拥有高超游动能力,具有耐压结构的乌贼进行研究。分析乌贼喷射和鳍波动推进的游动机理,给出喷射推力、喷射和整周期流体推进效率方程。乌贼复合游动方式的优点是高速性和低速性均很好,能瞬时改变游动方向,噪声低,以及即使喷射速度低于周围流体速度,也能产生推力。为深入说明乌贼游动机理,研究乌贼外套膜和鳍这两套运动系统的肌肉性静水骨骼结构及其动作原理。肌肉性骨骼不但具有支撑躯体,进行动作和输出力的作用,还具有良好的耐压能力。大多数乌贼体内没有充气组织,外套膜腔内外静压平衡,进一步提高了它们的耐压能力。乌贼动作时,弹性机制能够减少能量消耗,提高能量利用效率。若能将乌贼的游动方式、肌肉组织结构和弹性机制等特点应用到仿生水下机器人上,将使其更加高效、灵活和耐压。

基于柔性鳍单元的尾鳍推进微型机器鱼设计研究

论述了一种微型机器鱼.首先对亚鲹科、鲹科和鳐科模式游动动作进行了简化和抽象,确定柔性弯曲是这三种模式的一种简化的游动动作.然后从乌贼鳍的肌肉性静水骨骼鳍的结构得出灵感,提出并研制了能够实现柔性弯曲的柔性鳍单元;它应用动物弹性机制,由形状记忆合金(shape memory alloy,简称SMA)丝驱动.再对SMA丝进行了热力学分析,从而优化其驱动.最后,基于柔性鳍单元,设计了无线遥控的尾鳍推进微型机器鱼,并进行了游动试验;实现了亚鲹科和鲹科模式游动动作.该机器鱼无任何转动、滑动部件,能够实现快速、安静的隐蔽性游动.

肌肉性静水骨骼原理的仿乌贼鳍推进器

模拟乌贼鳍动作的肌肉性静水骨骼原理的仿乌贼鳍推进器由推进模块、遥控模块、驱动模块和电池组等几部分组成.推进模块由2个水平鳍构成,每个水平鳍由1张鳍膜和5个由形状记忆合金丝驱动的柔性鳍单元组合而成.柔性鳍单元模拟乌贼鳍结构,能实现柔性弯曲.柔性鳍单元动作过程中利用弹性机制,在弯曲时存储弹性能,在回复时释放弹性能,从而减少能量消耗.对柔性鳍单元的形状记忆合金丝进行了热力学分析,发现采用短脉宽、大电流的脉冲可使柔性鳍单元在较高动作频率时,达到较大的弯曲角度.在空气中和水中对柔性鳍单元进行了弯曲试验,验证了柔性鳍单元的设想和控制方法.对该推进器模仿短鳍乌贼的鳍拍动进行了游动试验,达到了40mm/s的最大直线游动速度和22(°)/s的最大打转游动速度.该推进器对环境友好,能实现柔性动作和水下无声推进.

形状记忆合金丝驱动的仿乌贼外套膜喷射推进器研究

研制了两种由形状记忆合金(SMA)丝驱动的仿乌贼外套膜结构和一个仿乌贼外套膜喷射推进器,分析了喷射推进方式的突出优点。比较了不同种类智能材料的性能特点,SMA与其它材料相比具有回复应力大、变形量稳定、稳定工作寿命较长等优点。乌贼外套膜呈柔性,由于硅胶具有较好的柔性且性质稳定,采用其作为仿乌贼外套膜结构的基体材料。讨论了乌贼的肌肉性静水骨骼和外套膜肌肉结构。分析了排布角度、筋条数目等参数对喷射推进器性能的影响。制作了不同参数的仿乌贼外套膜结构,其内径收缩应变达到12%。设计了一个仿乌贼外套膜喷射推进器,其外套膜收缩应变达到8.8%,通电后0.8～1.4 s内平均游动速度达到58 mm/s。