仿生水下航行器的灵感来自于胸鳍增大的鱼北京理工大学出版社图片来源：中国科学院自动化研究所王睿水下机器人被广泛用作各种海洋任务的工具。RobDact 就是这样一种仿生水下航行器，其灵感来自一种名为 Dactylopteridae 的鱼，这种鱼以其扩大的胸鳍而闻名。一个研究团队结合计算流体动力学和力测量实验来研究 RobDact，创建 RobDact 的准确流体动力学模型，使他们能够更好地控制车辆。该团队于2022 年 5 月 31 日在Cyborg and Bionic Systems上发表了他们的发现。

水下机器人现在用于许多海洋任务，包括渔业、水下勘探和测绘。传统的水下机器人大多由螺旋桨驱动，可有效在开阔水域以稳定的速度巡航。然而，水下机器人通常需要能够在湍流水域中以低速移动或悬停，同时执行特定任务。在这些条件下，螺旋桨很难移动机器人。当水下机器人在不稳定的流动水域中以低速移动时，另一个因素是螺旋桨的“抽搐”运动。这种抽搐会产生不可预测的流体脉冲，从而降低机器人的效率。

近年来，研究人员一直致力于创造模仿生物的水下机器人。这些仿生车辆在水中移动的方式类似于鱼或蝠鲼的移动方式。与传统的水下推进器相比，这些仿生水下航行器在水中运行更高效、更稳健，同时更环保。图片来源：中国科学院自动化研究所王睿水下机器人在水中移动时会受到周围流体的影响。这种现象称为水动力效应。在水中移动时，机器人必须处理未知的水流和力，这会导致机器人位置发生不必要的变化。

为了更好地控制机器人，研究人员需要更精确的流体动力学模型。创建这个模型通常非常复杂和困难。此外，真实的水下环境多变且难以预测，因此模型参数会随着环境的变化而变化。研究人员一直在使用计算流体动力学为水下机器人创建流体动力学模型。

然而，仅使用计算流体动力学创建的模型并不像它们需要的那样精确和实用。为了克服这一挑战，研究团队尝试了不同的方法。“为了使流体动力学模型更加准确和实用，我们将计算流体动力学和测力实验相结合，”中国科学院自动化研究所研究员王锐说。图片来源：中国科学院自动化研究所王睿使用计算流体动力学，研究人员确定了流体动力学模型中的参数。然后他们开发了一个力测量平台来获取 RobDact 车辆产生的力。通过这个过程，他们可以获得任何复杂环境中的干扰力和RobDact产生的力。“这可以帮助我们更好地了解水下航行器的运动状态，更准确地控制水下航行器，”中国科学院自动化研究所研究员曹启元说。通过他们的实验，该团队能够确定 RobDact 在不同速度下的流体动力。他们开发的力测量平台使他们能够测量 RobDact 在 X、Y 和 Z 方向上的力。他们通过测力实验建立了 RobDact 波动参数与车辆推力之间的映射关系。通过将 RobDact 的刚体动力学模型与推力映射模型相结合，研究人员能够开发出 RobDact 在不同运动中的准确实用的流体动力学模型。

展望未来，研究人员打算利用流体动力学模型结合人工智能方法（如强化学习）研究仿生水下航行器的智能控制。“最终目标是促进仿生水下航行器在水环境监测和水下搜救中的实际应用，”王说。