一種形狀記憶合金絲驅動的仿烏賊水平鰭推進器

王揚威，王振龍，杭觀榮，李健

(哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱150001)

    摘要：提出并實現了一種sMA絲驅動的仿烏賊水平鰭推進器。通過分析鰭的生理結構和波動規律，建立了仿馬賊水平鰭推進器的波動機構原理模型，提出了柔性鰭單元。然后設計了形狀記憶合金絲驅動的、基于柔性鰭單元的無線電遙控仿烏賊水平鰭推進器，并對雙側10鰭單元的仿烏賊水平鱔推進器進行了游動試驗。試驗表明該推進器可以實現前進、后退、左右轉功能，可以實現8 mm／s的游動速度和12^。／s的轉彎速度，它具有無噪聲、無污染、驅動電壓低、機動性好、結構簡單容易密封等優點，其扁平身體結構能夠進入狹窄復雜的水下區域進行探測。

    關鍵詞：烏賊鰭；形狀記憶合金絲；柔性鰭單元；仿烏賊水平鰭推進器

    中圖分類號：TM38  文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2008)05—0057—03

O引  言

     市場的需求和相關技術的發展帶動了機器人技術的發展，在海洋開發和相關領域中運用機器人技術已引起了各方面的重視。傳統螺旋槳推進器具有能源利用率低，結構尺寸和重量大，對環境擾動大，噪聲大，可靠性差，起動、加速性能差以及運動靈活性能差等缺點。近年來，隨著仿生學研究的不斷進步，科研工作者的目光集中到長期生活在水下，特別是能在水中自由遨游的魚類的游動機理的研究上。魚類作為自然界最早的真骨類脊椎動物，種類繁多，生活環境各異。為了攝取食物、逃避敵害、繁殖后代和集群洄游等生存需要，魚類經過億萬年的自然選擇，進化出了非凡的水中運動能力，既可以在持久游速下保持低能耗、高效率，也可以在拉力游速或爆發游速下實現高機動性[1]。利用魚類游動機理推動機器人在水下浮游的想法，伴隨著仿生學、材料科學、自動控制理論等學科的發展成為現實。在海洋中有很多動物的游動速度快，而且運動靈活，這都得益于其自身獨特的游動方式。例如烏賊依靠高推進力的噴射和高效率的鰭波動復合推進方式來實現游動，它在高速游動時主要靠噴水推進，在低速游動時主要靠身體兩側的鰭波動推進，可以實現靈活的前進和后退。這種推進方式具有巨大的仿生價值。

1烏賊的游動機理

     烏賊屬于頭足綱動物,是無脊椎軟體動物。烏賊（如圖1所示）在英文中有兩種叫法：一種叫Squid,另一種叫Cuttlefish。從圖上可以看出他們在外形上有所不同，Squid尾部的鰭較小，主要是用來

保持身體平衡的；而cuttIefish的鰭圍繞在外套膜上，除了保持身體的平衡外，還可以利用其波浪形的運動推動自身前進、后退和轉彎等，但噴水推進等功能差別不大^[2]。

    烏賊主要靠噴水推進方式實現快速游動，游速****可達每小時150 km。烏賊的鰭對稱分布在身體的兩側，能夠有節奏的波動，用于游動和懸浮。雖然外套膜收縮噴水推進提供了運動的主要推力，但是鰭在低速游動、保持穩定和懸浮時起到了重要作用。烏賊鰭波動推進類似于魚類中的鰩科模式(Rajiform)^[3]，但由于烏賊鰭是柔性的，沒有骨骼支撐，所以運動幅度可以更大，靈活性也更強。不同烏賊鰭波動時鰭上橫波波數不同。

    烏賊鰭的肌肉結構如圖2所示：圖中，cT表示交叉斜結締組織纖維，DF表示背側結締組織筋膜，DV表示背腹肌，Fc表示鰭軟骨，L表示縱肉，MF表示中央結締組織筋膜，T表示橫肌，vF表示腹部結締組織筋膜。游動時橫肌依次規律收縮使鰭局部向上或向下彎曲，整個鰭形成波動，同時背腹肌收縮使鰭變薄。烏賊鰭中的橫肌通過規律收縮，每個鰭單元在不同的相位擬合成鰭波動的波形。

2仿烏賊水平鰭推進器的原理

    仿烏賊水平鰭推進器是通過模仿烏賊鰭的生理結構和運動方式，利用新型結構設計和控制方法產生與其類似的推進波，從而使推進器具有這種獨波動仿生推進能力，實現前進、后退、制動、轉向功能。仿烏賊水平鰭推進器包括兩部分：推進器的波動機構和推進器的控制系統。

   推進器的波動機構根據烏賊鰭的結構進行簡化，其運動方式可以簡化為所有鰭單元按照一定的時序關系繞各自的鰭單元基點(鰭單元與機體的連接點)彎曲并帶動彈性薄膜形成波。用柔性鰭單元模仿烏賊的橫肌，用彈性薄膜來連接柔性鰭單元形成波