䲟鱼仿生机器人游动-吸附-脱附机理、制造与控制关键技术

Remoras can attach and detach with a variety of marine surfaces by harmonically controlling their dorsal adhesive disc pad, fins, and the undulatory body. This project aims to understand the fundamental scientific mechanisms of remora hitchhiking through several high-tech approaches, such as morphological and kinetic measurements of biological remoras, multi-material 3D printing, micro-scale laser cutting, fabrication of soft robotic sensors and actuators, etc. This project aims to establish a scientific prototype “bio-robotic remora” that can freely swim underwater, attach and detach with multiple surfaces. The prototype is inspired by the biological remora regarding the motion control, the flexible sensing and actuation, micro-scale structural property. Based on the prototype and our self-developed experimental apparatus, we aim to answer several important scientific questions that include: how do remoras maintain robust attachment on surfaces in the high-speed encountered flow? How do remoras control their adhesive disc pad, the moving body and the flexible fins to switch between “swimming”, “attachment”, “detachment” states? According to the above research, the accomplishments of this project can provide important theoretical basis and key technologies for the future biomimetic underwater robots that may be applied to both military and social applications.

䲟鱼可以在游动中通过协调头部吸盘、胸鳍与柔性的身体高效自如地吸附与脱附各种海洋生物或非生物的表面。本课题将利用生物形态学与运动学测量、多材料3D打印、微激光加工、软体驱动与传感等关键技术手段揭示䲟鱼“搭顺风车”的科学机理。本课题的主要目标是构建一个集运动仿生、软体驱动与感知仿生、微结构与材料仿生于一体的新的科学样机：可自由游动、吸附和脱附的仿生䲟鱼机器人。基于研制的机器人样机与相应的实验装置，本课题拟回答两个关键的科学问题：䲟鱼吸盘如何在高速的来流条件下长时间保持吸附？䲟鱼如何通过协调控制头部的吸盘、身体与柔性鳍实现在多种不同表面上的“游动-吸附-脱附”？通过以上研究，本课题将为具有潜在国防与民用价值的仿生水下机器人提供重要的理论和关键技术支撑。

䲟鱼可以在游动中通过协调头部吸盘、胸鳍与柔性的身体高效自如地吸附与脱附各种海洋生物或非生物的表面。本课题利用多种先进生物观测手段，系统地揭示了生物䲟鱼“游动-吸附-脱附”的生物力学机理，构建一个集运动仿生、软体驱动与感知仿生、微结构与材料仿生于一体的新的科学样机：可自由游动、吸附和脱附的仿生䲟鱼机器人。本研究的主要发现如下，i）首次发现了生物䲟鱼吸盘唇圈的分层结构，揭示了其粘弹性和各项异性力学特征对吸附的增强机理。利用静电植绒技术首次制备出具有法向纤维结构的仿生吸盘，极大增强了吸附性能。其在光滑和粗糙表面都具有400 N的高吸附力。与纯硅胶吸盘对比，在吸附时间和拉脱力上分别增加了340%和62.5%。ii）揭示了生物䲟鱼吸盘独立吸附机理，制备了具有冗余、自适应以及静水压增强特性的仿生吸盘样机，使仿生吸盘在摩擦力、吸附时间上分别提升了44%和206%，并实现在弯曲、狭窄、破损、粗糙等多种复杂表面上的高效吸附。iii）揭示了生物䲟鱼吸盘的脱附机理，设计制作出同时具备吸附/脱附能力的仿生䲟鱼吸盘。力学实验表明，对比硬质基底吸盘，柔性基底吸盘所需脱附力下降了69%，前缘涡涡量下降了130%；在相同驱动力下，脱附速度提高了200%。在自由游动过程中，吸盘受到的阻力降低了44%。 iv) 基于生物形态学数据与运动学三维重建，利用复合多材料3D打印、微激光加工、“柔性”传感以及“力学超材料”等工艺首次实现了䲟鱼仿生机器人的设计、制造与集成与运动控制。仿生样机通过高集成化的仿生吸盘（单自由度驱动实现吸/脱附）、高自由度鱼体（偏航，俯仰，滚转）与鱼鳍（结合柔性传感，感知自身姿态和外界水流）的协调运动实现高机动性与多模态运动，从而实现对多种表面的游动、吸附和脱附行为。相应的研究成果发表在Science Advances，Matter，Soft Robotics，IJRR，ICRA等知名期刊和会议上，并产生了一定的国际影响力。本研究为进一步探索生物力学机理提供了一套新的研究方法和实验平台，也为仿生吸附装置研究以及未来新型海洋探测无缆水下机器人的开发奠定了基础。