自然界中的魚(yú)類(lèi)是天生的游泳健將。從復(fù)雜環(huán)境中的靈活穿梭，到捕食瞬間的“爆發(fā)式”沖刺，它們似乎總能完美適應(yīng)環(huán)境。在自然界中，魚(yú)類(lèi)展現(xiàn)出高度適應(yīng)環(huán)境的運(yùn)動(dòng)能力：它們既能在復(fù)雜地形中靈活穿梭，也能在捕食和逃逸時(shí)實(shí)現(xiàn)爆發(fā)式高速推進(jìn)。

金槍魚(yú)高速?zèng)_刺 (High-speed）

▍魚(yú)類(lèi)游動(dòng)的秘密：身體“用多長(zhǎng)”很重要

這種能力來(lái)源于魚(yú)類(lèi)對(duì)身體波動(dòng)方式的精細(xì)調(diào)控。根據(jù)身體參與波動(dòng)的長(zhǎng)度比例不同，魚(yú)類(lèi)演化出了鰻鱺科模式、亞鲹科模式、鲹科模式和金槍魚(yú)模式4種BCF 游動(dòng)方式。隨著參與擺動(dòng)的身體區(qū)域逐漸向尾部集中，魚(yú)類(lèi)的游動(dòng)速度和呈現(xiàn)出顯著提升。其中，鰻鱺類(lèi)魚(yú)通過(guò)全身波動(dòng)獲得極高的機(jī)動(dòng)性，但游動(dòng)速度較低；而金槍魚(yú)類(lèi)則通過(guò)增強(qiáng)軀干剛度、將擺動(dòng)集中于尾柄和尾鰭區(qū)域，在高速條件下仍能保持卓越的推進(jìn)效率。

← 靈活性更高 (More Maneuverable) | 速度更高 (Higher Speed)

長(zhǎng)期以來(lái)，一個(gè)核心科學(xué)問(wèn)題尚未得到充分闡釋?zhuān)簽楹蝺H依靠尾部擺動(dòng)的金槍魚(yú)能夠?qū)崿F(xiàn)高頻高速推進(jìn)，而全身波動(dòng)的鰻鱺科魚(yú)類(lèi)卻受到限制？

除形態(tài)與結(jié)構(gòu)因素外，參與波動(dòng)的身體長(zhǎng)度（即肌肉招募比例）被認(rèn)為是關(guān)鍵但長(zhǎng)期被忽視的變量。由于生物肌電測(cè)量的侵入性限制，相關(guān)假說(shuō)難以直接驗(yàn)證。仿生機(jī)器魚(yú)為逆向研究魚(yú)類(lèi)游動(dòng)機(jī)理提供了新途徑，但現(xiàn)有機(jī)器魚(yú)研究往往陷入“專(zhuān)精化”的困境：造出來(lái)模仿鰻魚(yú)的機(jī)器魚(yú)，靈活但跑不快；模仿金槍魚(yú)的機(jī)器魚(yú)，速度快卻轉(zhuǎn)不了彎。每種設(shè)計(jì)都自成一體，硬件不同，難以直接比較。

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，喻俊志教授團(tuán)隊(duì)受魚(yú)類(lèi)分節(jié)肌肉結(jié)構(gòu)啟發(fā)，在國(guó)際頂級(jí)期刊《Science Advances》上發(fā)表了題為“Adaptive multimodal swimming gaits in a reconfigurable modular soft robotic fish”的研究論文。

該研究開(kāi)發(fā)了一種基于張拉整體結(jié)構(gòu)與仿生變剛度肌肉的多模態(tài)機(jī)器魚(yú)平臺(tái)。其核心是團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的仿生變剛度肌肉，基于層狀阻塞原理實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度的快速、大幅調(diào)節(jié)。通過(guò)對(duì)尾部關(guān)節(jié)剛度分布的協(xié)同控制，機(jī)器魚(yú)可在同一平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)從高機(jī)動(dòng)的“鰻鱺科模式”到高速?zèng)_刺的“金槍魚(yú)模式”的自由切換，為系統(tǒng)揭示不同游動(dòng)模式的生物力學(xué)機(jī)制提供了統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

多模態(tài)的機(jī)器魚(yú)，能夠模仿四種不同的游動(dòng)模態(tài)

▍誕生：一條能“切換骨骼”的機(jī)器魚(yú)

受魚(yú)類(lèi)肌節(jié)（肌肉分節(jié)）結(jié)構(gòu)和肌肉剛度調(diào)節(jié)機(jī)制的啟發(fā)，米蘭體育官網(wǎng)研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了一條多模態(tài)軟體機(jī)器魚(yú)。它的身體核心是一個(gè)由四個(gè)張拉整體關(guān)節(jié)串聯(lián)而成的“脊柱”。每個(gè)關(guān)節(jié)的奧秘在于其兩側(cè)的四條仿生干擾層肌肉（BJLM）。

多模態(tài)軟機(jī)器魚(yú)的設(shè)計(jì)

這種肌肉由多層特殊的彈性層疊加而成，層與層之間可以自由滑動(dòng)。關(guān)鍵在于，當(dāng)研究人員向這些肌肉內(nèi)部施加負(fù)壓（抽真空）時(shí)，多層結(jié)構(gòu)會(huì)被緊緊壓合，層間摩擦力劇增，整條肌肉會(huì)瞬間提升超過(guò)46倍剛度。

▍一條魚(yú)，四種游法

得益于這種兼具大剛度調(diào)節(jié)范圍與快速響應(yīng)能力的“剛?cè)岵?jì)”特性，機(jī)器魚(yú)的身體力學(xué)屬性得以實(shí)現(xiàn)可編程調(diào)控。通過(guò)邏輯控制四個(gè)尾部關(guān)節(jié)的軟硬分布，機(jī)器魚(yú)能夠在同一平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)不同游動(dòng)模態(tài)的快速切換：當(dāng)所有關(guān)節(jié)處于低剛度狀態(tài)時(shí)，整體表現(xiàn)為柔性主導(dǎo)的“鰻鱺模式”；而當(dāng)近體側(cè)關(guān)節(jié)被鎖定、僅保留尾端關(guān)節(jié)擺動(dòng)時(shí)，機(jī)器魚(yú)則迅速轉(zhuǎn)變?yōu)檫m于高速巡航的“金槍魚(yú)模式”。

Mode1 仿鰻鱺模態(tài) Anguilliform-like [0000]

Mode4 仿金槍魚(yú)模態(tài) Thunniform-like [1110]

量化數(shù)據(jù)也顯示，我們的機(jī)器魚(yú)運(yùn)動(dòng)模式與真實(shí)魚(yú)類(lèi)的觀察結(jié)果高度一致，證明了我們的平臺(tái)成功復(fù)現(xiàn)了自然界中的四種游動(dòng)步態(tài)。

多模態(tài)機(jī)器魚(yú)的游動(dòng)

▍性能驗(yàn)證：速度與靈活的“雙重突破”

擁有了這個(gè)高效的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，莊閑和游戲網(wǎng)研究團(tuán)隊(duì)得以首次在同一個(gè)身體上，精確量化不同游動(dòng)策略的性能差異。

在經(jīng)過(guò)深入研究之后，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)機(jī)器魚(yú)的游速隨著鎖定關(guān)節(jié)數(shù)量的增加而持續(xù)提高。金槍魚(yú)模式在5 Hz時(shí)達(dá)到最大游速1.24倍體長(zhǎng)/秒（BL/s），而鰻鱺科模式在4 Hz以上出現(xiàn)明顯性能衰減。

運(yùn)動(dòng)學(xué)分析表明，機(jī)器魚(yú)游速由尾部振幅與魚(yú)體波傳播速度共同決定。鰻鱺科模式在高頻下因剛度不足導(dǎo)致尾部振幅快速衰減；相比之下，金槍魚(yú)模式依托高剛度軀干，在5 Hz下仍能維持較大尾部振幅，支持魚(yú)體波的高效傳播（波長(zhǎng)約為0.75–1.05倍體長(zhǎng)，與真實(shí)魚(yú)類(lèi)高度一致）。

這表明，在高剛度支撐下，高頻、大振幅與高波速的協(xié)同作用是金槍魚(yú)模式實(shí)現(xiàn)高速巡航的關(guān)鍵。

多模態(tài)機(jī)器魚(yú)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）數(shù)值仿真顯示，鰻鱺科模式產(chǎn)生的尾渦破碎且無(wú)序，動(dòng)量耗散較大，在頭部與胸鰭附近出現(xiàn)明顯高壓阻力區(qū)，削弱了尾部推進(jìn)效果。相比之下，金槍魚(yú)模式的壓力增強(qiáng)始終集中于尾部，形成強(qiáng)烈、規(guī)整的渦環(huán)，能夠高效推動(dòng)水體向后運(yùn)動(dòng)。

定量結(jié)果表明，金槍魚(yú)模式下的推力隨頻率單調(diào)上升，而鰻鱺科模式在4 Hz后明顯衰減；在5 Hz工況下，前者推力較后者提升142%。效率分析進(jìn)一步顯示，鰻鱺科模式在低頻下更節(jié)能，而金槍魚(yú)模式在高頻下更具優(yōu)勢(shì)。

多模態(tài)機(jī)器魚(yú)游動(dòng)的水動(dòng)力分析

同時(shí)，該研究也揭示了快速性與機(jī)動(dòng)性之間的經(jīng)典權(quán)衡關(guān)系。

游速最快的金槍魚(yú)模式轉(zhuǎn)彎半徑最大，而鰻鱺科模式憑借全身大幅度彎曲展現(xiàn)出最優(yōu)的靈活性，其最小轉(zhuǎn)彎半徑僅為0.26 BL。其根本原因在于鰻鱺科模式單次擺動(dòng)可產(chǎn)生約54.3°的身體轉(zhuǎn)角，側(cè)向力約為金槍魚(yú)模式的3倍；而高剛度的金槍魚(yú)模式受結(jié)構(gòu)限制，單次轉(zhuǎn)角僅為21.4°。該結(jié)果說(shuō)明，采用單一游動(dòng)模式的機(jī)器人往往難以兼顧快速性與靈活性。

▍快與靈，真的只能選一個(gè)嗎？

本研究通過(guò)變模態(tài)控制策略成功突破了這一固有權(quán)衡。機(jī)器魚(yú)可利用金槍魚(yú)模式實(shí)現(xiàn)高速?zèng)_刺，也可迅速切換至鰻鱺科模式完成靈巧轉(zhuǎn)向。在極限U型狹窄通道測(cè)試中，機(jī)器魚(yú)采用“金槍魚(yú)模式高速接近—鰻鱺科模式轉(zhuǎn)彎—金槍魚(yú)模式加速”的多模態(tài)策略順利通過(guò)。相比之下，單一模態(tài)機(jī)器人則易出現(xiàn)卡滯或效率嚴(yán)重下降。

野外實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證，多模態(tài)切換能力是水下機(jī)器人在開(kāi)闊水域與復(fù)雜狹縫環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高效敏捷通行的關(guān)鍵。這一突破不僅可為復(fù)雜水域環(huán)境下的生態(tài)監(jiān)測(cè)、資源勘探及災(zāi)難搜救作業(yè)提供平臺(tái)支撐，而且為研發(fā)兼具長(zhǎng)續(xù)航和高機(jī)動(dòng)性的新一代水下智能裝備開(kāi)辟了全新的仿生路徑。|jrswcjzb.cn。|jrsddgk.cn。|jrszbgk.cn。|djzbw.cn。

多模態(tài)機(jī)器魚(yú)的轉(zhuǎn)向與在線多模態(tài)游動(dòng)

該論文的第一作者為北京大學(xué)先進(jìn)制造與機(jī)器人學(xué)院博士研究生王博和博士后李磊。北京大學(xué)先進(jìn)制造與機(jī)器人學(xué)院喻俊志教授為唯一通訊作者。合作者包括中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所徐夢(mèng)凡博士后、銀波副研究員，大連理工大學(xué)張捷助理研究員，北京大學(xué)工學(xué)院本科生胡楠楠，北京大學(xué)先進(jìn)制造與機(jī)器人學(xué)院碩士研究生高文卓和博士研究生莘展驊。

相關(guān)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市科技新星計(jì)劃、河北省自然科學(xué)基金、國(guó)家資助博士后研究人員計(jì)劃及中國(guó)博士后科學(xué)基金等的聯(lián)合資助。