中国浙江理工大学和英国埃塞克斯大学（University of Essex）的研究人员合作开发出一款仿生机器人，灵感来自虾螳螂虾，旨在探索和监测水下狭窄环境。

该机器人结构参考生物螳螂虾，采用扁平身体和流线型尾叉设计，有效减小水流阻力。刚柔耦合设计降低水对机器人的影响，提高在水下运动中的稳定性。相关研究成果发表于《IEEE-asme机电一体化交易》（EEE/ASME Transactions on Mechatronics）期刊。

攻击力十分强大的螳螂虾是灵感来源

螳螂虾是一类身形微小但却拥有非凡能力的海洋生物，虽然它们在生态系统中的存在已久，但直到最近，科学家们才开始深入探索和理解这些生物的奥秘。螳螂虾的特殊之处不仅体现在其独特的外貌，还包括令人瞩目的捕食技巧、多彩的行为表现，以及引人入胜的生物化学特性。

螳螂虾的外部结构是其最醒目之处，充满着独特的特征。螳螂虾的身体通常被分为两个主要部分：头部和躯干。头部包括了复杂的触角和视觉系统，是螳螂虾独特特征的集中体现。躯干通常较长，由一系列节段组成，每个节段都有其特殊的功能。躯干的末端通常是螳螂虾最令人印象深刻的特征之一，即强大而锋利的螯。

螳螂虾的螯是其独特的捕食武器，通常分为两种类型：砸击螯和切割螯。砸击螯通常较大且更坚硬，用于砸击和摧毁坚硬的猎物，如贝壳。切割螯通常较小但更锋利，用于切割和解剖猎物，这两种螯的不同类型和用途使螳螂虾成为了捕食技巧独特且高效的生物。

螳螂虾的触角通常很长且灵活，具有高度的感知能力。触角上布满了感知器官，可以检测水流、温度、压力和化学信号。这些感知器官帮助螳螂虾感知其周围环境，包括潜在的猎物和捕食者。触角还用于触碰和感知外部物体，帮助螳螂虾进行导航和定位。

螳螂虾的视觉系统也是其特点之一，它们拥有复杂的复眼，通常有多个视觉单位，每个单位称为一个“単位眼”。这些単位眼可以独立移动和对焦，使螳螂虾能够同时观察多个方向和距离的事物。螳螂虾的视觉系统对颜色非常敏感，一些物种甚至可以看到紫外线光谱，使其能够在海洋中更好地识别物体和猎物。

除了其令人惊叹的捕食技巧外，螳螂虾还拥有强大的防御机制，使其在海洋生态系统中能够生存下来。其中最令人印象深刻的是其螯的防御和攻击能力。螳螂虾的螯不仅用于捕食，还用于自卫。当感到威胁时，螳螂虾会猛烈挥动其螯，迅速制造气泡并产生强大的冲击力。这种气泡爆破时，会产生极高的温度和压力，足以吓退潜在的威胁，甚至可以击退较大的掠食者。这种防御机制使螳螂虾成为海底生物中的顶级掠食者之一，不轻易被其他生物攻击。

水下机器人最大游速0.28 m/s

受到螳螂虾的启发，浙江理工大学等机构设计了一款类似的水下机器人。该机器人主要由10个刚性柔性游泳足（腹足）用于游泳推进和1个绳驱动柔性脊柱用于身体弯曲组成，可以分为头部、柔性躯干、仿生多足类和尾节4个部分。

机器人的头部是一个内置控制器，固定在碳纤维底座上。柔性驱干由钢丝绳、硅胶脊柱和5个推进部分组成。仿生多足由3D印刷的弹性硅胶薄膜制成，用螺丝固定在一边。尾节也是由3D打印制成，连接在弹性脊柱的末端，以固定钢丝绳，并用浮力材料固定。研究中提出的适用于多足动物耦合运动中央模式发生器控制器，使机器人的最大游动速度可达0.28 m/s，最小转弯半径为0.36 m。

仿生多足机器人具有体积小、环境适应性强和灵活性高等特点，可以代替人类完成危险作业，如探索狭窄空间等未知环境。为了实现在这些环境中的灵活运动，机器人需要具备螳螂虾的多体节的弯曲旋转和多腹足运动等功能。

在自然界中，螳螂虾等动物主要通过推进状态和恢复状态进行运动。这种状态不仅能提供更大的正向推进力，还能减少恢复时受到的正向阻力。同时，机器人的弯曲转向可以通过转向伺服装置和绳索牵引装置来实现。钢丝绳从转向伺服器开始，逐个通过推进段，最后固定在末端。当转向伺服系统旋转时，它可以驱动硅胶脊柱弯曲，实现转弯运动。

为了更好地模拟螳螂虾的运动，研究人员观察了螳螂虾在水中游动的视频，并对其逐帧进行分析。他们建立了多足游泳腹足摆动步态模型，并对步态的多足摆角进行了拟合。

螳螂虾主要依靠其多足的周期性运动和驱干的屈伸来游泳。为了模拟这种运动，控制器的设计是关键。中枢模式发生器（CPGs）是存在于无脊椎动物和脊椎动物体内的神经系统，能够控制神经活动的周期性模式，从而产生协调的节律运动。

螳螂虾主要依靠其多足的周期性运动和驱干的屈伸来游泳。为了模拟这种运动，控制器的设计是关键。中枢模式发生器（CPGs）是存在于无脊椎动物和脊椎动物体内的神经系统，能够控制神经活动的周期性模式，从而产生协调的节律运动。

仿生机器人走向实际应用

不久前，世界首条仿生鲸鲨在上海海昌海洋公园亮相。这条身长4.7米的庞然大物在水中灵活自如、以假乱真，不仅可以进行精彩的水下表演，还能搭载传感器进行水质监测和摄影摄像等。仿生机器鱼从理论研究逐步走向实际应用，带给人们更多期待。

“见窾木浮而知为舟，见飞蓬转而知为车”。观察并模仿自然行为，是人类创新的重要源泉。随着仿生机器人技术的不断发展，像鱼儿一样在水中遨游探索的仿生机器鱼应运而生。1994年，美国以金枪鱼为原型研制出世界上第一条仿生机器鱼。中国首条仿生机器鱼则以中华鲤鱼为原型。

仿生机器鱼属于跨学科交叉领域。其外形结构的设计要用到仿生学原理，模仿鱼类运动主要采用运动控制技术，而在赋予其鱼类感知能力如听觉、触觉和视觉时，会加入仿生侧线、鱼眼相机等传感器，甚至采用人工智能方法让它们更“聪明”。此外，材料制备、智能规划与决策等技术手段也不可或缺。

相较于传统的螺旋桨推进水下机器人，仿生机器鱼在环保、效率、机动性等方面优点显著。它结构密封，锂电池和驱动机构往往安装在内部，对水体没有污染且不易缠绕水草，能更好融入自然环境，对真实鱼类不会造成伤害；它模仿鱼类的摆动，具有更理想的流体力学性能，能量效率大大提高；它还能模仿鱼类C形转向、前后滚翻等复杂动作，展现出更强大的机动性能。

海洋生物种类多样、各有天赋，比如海豚以跃水闻名，金枪鱼可以高速巡游，?鱼在远程航行中大多吸附在大型鱼类身上以节省能量……受不同生物特性启发，仿生机器鱼也是各式各样。近年来，我国仿生机器鱼团队研制了丰富多彩的机器鱼系统，包括机器金枪鱼的高速航行、机器?鱼的自主动态吸附以及在国际上首次实现机器海豚的跃水等多项成果。

这些仿生机器鱼可不是“花拳绣腿”，而是具有重要的理论意义和广泛的实用价值。在生物研究领域，它可以辅助研究鱼类游动机理，探索鱼群效应等鱼游生物学现象；在工程领域，它可以在狭窄或危险的水下环境中开展水质监测、救捞、考古、设备检修、海洋地图测绘、海洋生物拍摄、可燃冰探测等工作。它还可以在海洋馆中代替珍稀野生鱼类以供科普。

文章来源： 机器人大讲堂，全球技术地图，万象硬核，全国党媒信息公共平台