大家好！今天来来了解一篇关于基于合成射流的微型模块化可重构水下机器人的研究——《Miniature Modular Reconfigurable Underwater Robot Based on Synthetic Jet》发表于《Advanced Science》。水下环境复杂多变，传统机器人面临诸多挑战。本研究提出新方案，通过合成射流原理，设计独特执行器与运动模块，采用多种配置策略，力求解决现有问题，展现出卓越的性能与潜力，为水下机器人技术带来新突破。
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一、研究背景
（一）模块化可重构机器人的需求
在现代社会，机器人在各个领域发挥着不可或缺的作用。然而，传统单体机器人通常针对特定任务设计，在不可预测和非结构化环境中，机器人需要具备多样化的运动能力和功能特性，以满足不同任务需求。例如，在海洋探索中，机器人可能需要在不同地形和环境条件下执行任务。此外，机器人在故障时需及时修复，以确保任务可靠性，这就促使了模块化可重构机器人的发展。
（二）水下环境对机器人的挑战
水下环境对机器人提出了更为严格的要求。在狭窄或浅水的水生环境中，如珊瑚礁或浅滩区域，机器人的运动可能会受到礁石、珊瑚等障碍物的阻碍，同时电缆或其他连接方式也会限制其运动范围。这就要求水下机器人具有小型化和集成化的特点。此外，水下环境的推进方法和密封要求使得机器人的模块化设计更加复杂。
（三）现有水下推进策略的不足
目前的水下推进策略包括常规的螺旋桨推进，如在大型自主水下航行器（AUV）中广泛应用，但螺旋桨不适用于狭窄空间；仿生推进方法，如体尾鳍（BCF）和中对鳍（MPF）推进，其机制复杂，难以实现模块化设计和运动控制；射流推进器虽然模仿了头足类动物的运动原理，但传统射流推进器需要独立的进出口，结构复杂。而合成射流作为一种新的推进方法，仅需一个喷孔，基于高频小振幅振动实现运动，具有结构紧凑、响应快、控制简单和制造成本低等优点，但现有研究中的激励源存在问题，如压电材料、介电弹性体和传动机构等需要高激励电压和特殊信号，无法消除线束约束，难以实现控制系统集成。
（四）研究思路
针对上述问题，研究人员提出了基于合成射流推进机制的模块化解决方案，开发了一系列集成模块化可重构机器人。在设计过程中，从合成射流执行器、单运动模块、组合策略到应用前景进行了全面研究。
二、合成射流机制与合成射流执行器设计
（一）合成射流执行器的重要性
合成射流执行器是运动模块的关键推进组件，它直接决定了模块的运动效果和整体尺寸，因此其设计对于整个模块化可重构机器人系统至关重要。
（二）执行器类型及结构
研究人员设计了底部和侧面两种射流执行器。两种执行器均采用防水偏心旋转质量（ERM）振动电机作为激励源。底部射流执行器的喷腔呈圆锥形，喷孔位于底面，在振动源的直接激发下可产生垂直于底部的射流；侧面射流执行器的喷腔近似斜圆锥形，喷孔在侧面，用于产生垂直于侧面的射流。
（三）执行器工作原理
ERM电机通过电机底座安装在薄板中心，与喷腔固定在一起。电机在直流电源驱动下，偏心质量旋转产生椭圆振动，其离心力F(t)表达式为
（其中是F0离心力振幅，m是偏心质量，d是偏心距离，w是旋转速度），该离心力在水平和垂直方向产生的简谐振动为
薄板在电机激励下产生不同振动形状，实验发现第一和第四模式具有稳定的吸排能力，可有效应用于合成射流驱动。通过实验和模拟，选择薄板尺寸为Φ30mm×0.25mm，使第四共振频率为228.35Hz，与电机频率匹配。
基于此进行流体-结构相互作用模拟，观察到射流执行器在一个周期内的吸排现象和稳定的涡环运动。
通过粒子图像测速（PIV）方法观察合成射流的发展过程，测量射流执行器的净力约为7mN，可产生有效推进效果。
三、多自由度合成射流运动模块设计
（一）模块结构与参数
运动模块设计为具有多自由度自推进能力，采用近似立方体外观，尺寸约为48mm×38mm×38mm，质量约79.0g。其内部集成了电源、控制和通信电子系统，实现远程控制。通过合理的结构设计和组件分布，实现了重力与浮力的平衡，使模块能够悬浮在水中。
（二）射流执行器布局与运动方式
在模块的中间框架上固定三个射流执行器，分别实现模块在x、y、z方向的运动。底部射流执行器用于模块的上升运动，两个侧面射流执行器用于平面运动。
单侧侧面射流执行器工作时，产生的推进力会使模块围绕质心旋转；两侧面射流执行器同时工作时，射流合并产生线性力，推动模块直线运动。底部射流执行器工作可实现模块上升运动，速度可达28.7mm/s，关闭时模块自动下降。
通过流体-结构相互作用模拟直线运动情况，实验测得模块最大旋转速度约3.3rad/s，最大线性速度约70.7mm/s，且运动速度在1.3-3.3V电压范围内稳定，电压降至约1.0V时速度瞬间降为0。此外，模块还能实现受控运动，绕过障碍物到达目标位置。
（三）运动模块的耐久性测试
在实验中，将射流执行器的激励电压设置为3.3V，电池容量约为200mAh。测试结果表明，单射流执行器工作时，模块耐久性约85min；两射流执行器同时工作时，耐久性约50min；三射流执行器同时工作时，耐久性约30min。由于电压稳压单元的设计，驱动性能在整个过程中相对稳定，最后阶段突然下降。
四、不同模块的配置策略
（一）模块间的耦合方法
多个运动模块或与中间模块连接时，采用磁耦合方法。这种方法结构简单紧凑，具有良好的自对准能力，能够简化对接过程，提高连接精度。同时，对连接的可靠性进行了评估。
（二）同质运动模块的连接配置
两个、三个或四个运动模块连接时，可实现从点到线、角和环的扩展。这些配置增加了机器人系统的运动冗余，提高了整体的敏捷性和鲁棒性。例如，当某个运动模块损坏时，可以方便地进行替换。
（三）与中间模块的连接配置
运动模块可与中间模块（功能模块或辅助模块）连接，中间模块的不同设计可显著扩展组合方案和应用潜力。例如，采用简单立方中间模块时，有对角和线性两种基本配置，对角配置更紧凑，线性配置扩展性更好。
与辅助模块组合时，可根据物体形状进行调整，如对于球体或圆柱体等光滑表面物体，运动模块可与辅助模块组合成环实现运输，并通过辅助模块优化自身形状，提高运动性能。
对于不同形状和尺寸的中间模块（如长方体或棱柱体），其配置方式如图所示。
五、同质运动模块间的配置实验
（一）双运动模块的运动策略
双模块配置中，通过在非射流中间框架表面布置小永磁体实现模块连接。该配置下的组合机器人系统具有两个底部射流执行器（BJAs）和四个侧面射流执行器（SJAs），在水中的运动能力比单模块更敏捷。激发不同的侧面射流执行器可实现顺时针或逆时针旋转运动，由于臂长不同，产生的力矩不同，可分为主（SJA1L和SJA2R）和次（SJA1R和SJA2L）射流执行器，分别激发时旋转速度不同。同时激发两侧面射流执行器可实现直线运动，最大运动速度约77.6mm/s，与单模块运动速度相当，且运动速度在约1.0V电压时急剧下降。
（二）四运动模块的运动策略
四模块配置中，运动模块同样通过永磁体连接，连接后的机器人系统尺寸约为96mm×96mm×51mm，具有四个底部射流执行器（BJA1-BJA4）和八个侧面射流执行器。八个侧面射流执行器协同工作，可实现四个稳定状态的顺时针和逆时针旋转，单个射流执行器推进时旋转速度约1.6rad/s，四个射流执行器同时推进时可达2.5rad/s。
在直线运动方面，可沿平面内所有边缘方向和对角线方向灵活移动，如同时激活一侧的两组射流执行器可实现边缘方向的直线运动，速度约81.4mm/s；沿对角线方向的线性运动有两种状态，对角对称射流执行器同时推进或单个角模块推进均可产生对角线直线运动，速度分别约为63.0mm/s和62.1mm/s。
不同组合的射流执行器激发时，四运动模块系统在八个方向的直线运动轨迹体现了其高敏捷性。但模块数量增加可能会因质量和阻力增加而降低运动参数，不过稳定性和鲁棒性的提升可弥补这一缺陷，实际应用中应根据需求确定模块配置。
六、功能模块配置实验
（一）功能模块验证实验
利用与运动模块尺寸相似的简单立方中间模块，验证机器人在水中的运输和检测等基本功能。
