仿生波動鰭推進的兩棲航行器

謝萍 張曉月

本作品利用介電彈性體在外界電刺激作用下產生應力和應變，將電能轉換為機械能的特性設計了一款模擬魚類鰭部肌肉運動的海洋航行器。該裝置有效地解決了現有海洋航行器不能在復雜的兩棲環境中運行的問題，而且由于仿生波動鰭采用了柔性結構設計，對水下生物十分友好，不會影響行駛水域內的生態環境，在滿足陸上工作與水下航行條件的同時，在一定程度上解決我國海洋資源探查、兩棲作業等方面的現實問題。

波動鰭;介電彈性體;兩棲航行器

一、研究背景及意義

浩瀚的海洋中蘊含有豐富的生物資源、礦產資源和能源，人類在水下環境中進行生產、科研等活動越來越頻繁，水下任務的要求也不斷提高，人工操作的方式從成本、安全性、效率上逐漸不能滿足復雜水下任務的要求。近年來，一些智能的自主水下航行器被廣泛應用于海洋開發、海洋研究、水下環境保護等領域。

目前多數水下航行器推進設計原理為：由螺旋槳產生推力，結合可操控的舵面產生機動控制力。這種機構設計對于推進器以巡航速度行駛于空曠平靜海域的應用領域是經濟有效的。但出于其機動控制力依賴于流體在操控舵面上的流動產生的升力，在低速下難以實現機動。此外這類推進器會在尾跡中產生大量大帶寬的噪聲，導致一些水下生態系統遭到嚴重破壞。因此，水下推進器在低速下的有效性、機動性以及噪聲與尾跡的控制是制約當前水下航行器效能發揮的主要因素。

本項目為改進傳統水下航行器使用的螺旋槳式推進方式，著眼于仿生技術，模擬利用魚類游動，諸如弓鰭目、裸背鰻科和鱗純科等魚類，采用柔性長鰭波動的游動模式，生存于狹小惡劣的環境，具有良好的推進效率、機動性與穩定性，不僅能夠遠程遷徙，還具有靈活機動、抗擾動能力強，尤其擅長于低速下的機動等特點設計了一款水路兩棲式波動鰭推進航行器。

二、設計方案

1 結構設計

裝置整體由主體結構和兩側波動鰭組成，主體結構的設計思路為圖1所示，在航行器的艏端為攝影攝像機和探照燈用于海底勘探;中部搭載智能尋魚器，可以檢查魚群數量數量和尺寸，近距離觀察魚群健康狀況;艉部安裝有蓄電池箱，能夠將電能儲存起來，在需要時通過其放電來提供動力;側部安裝有測距側掃聲吶，可以測量觀測物與航行器之間的距離，有利于搜尋垃圾污染物以及收集海洋生物信息。航行器兩側為波動鰭，作為主要的推進器，實現航行器前進、后退、轉向和浮潛的功能。

2 介電彈性體驅動器工作原理

介電彈性體驅動器是由介電彈性體薄膜和其兩側涂覆的柔性電極組成。當在驅動器上下電極施加外界電場，材料內部電荷重新排布，接近同一電極的材料表面形成相互排斥的同性電荷，使材料在宏觀上表現為橫向擴張;同時，在材料縱向方向形成相互吸引的異性電荷，使材料在宏觀上表現為縱向壓縮。當電場撤銷后，材料內部的電荷又回到無序狀態，使得材料恢復到原始的形狀和體積，從而實現電能到機械能的轉換。

電致形變驅動是由靜電應力和彈性應力的耦合產生的，靜電應力P又稱麥克斯韋（）應力，是電介質內部電場分布產生變化的結果，可以由如下公式表示：

三、創新特色

（1）基于波動鰭推進模式的設計方案為海洋航行器的仿生設計提供了一個新的思路和選擇。

（2）波浪形飄帶的柔性結構對海洋生物十分友好的同時避免了大范圍的擾動。

（3）波狀鰭的結構為海洋航行器提供了新的運動方式。

（4）采用新型材料的海洋航行器對環境的滿足度很高，既可以水下航行，又可以在陸地上行走。

四、應用前景

（1）在近海及其他灘涂等復雜情況下，克服惡劣的環境條件，攜帶高性能作業和勘探設備，實現自主、快速、有效的兩棲作業。

（2）針對野外傳感干擾嚴重、兩棲跨介質導航的特點，建立統一多模態傳感框架，通過對絕對位置估計、多機相對位置估計以及環境地圖描述，幫助人類在復雜環境下實現安全高效監測地形。

（3）海洋垃圾污染近些年來越來越受重視，此航行器對環境十分友好的特性有助于其在近海區域收集數據以及搜尋海洋污染物，保護海洋、保護海洋生物。

（4）航行器搭載了智能尋魚器，可以通過手機APP實時動態監測海底魚情、檢查魚群數量和尺寸，近距離觀察魚群健康狀況。還可以對網箱、人工魚礁、錨鏈進行安全檢查，實現漁民對漁場的智能化管理。

參考文獻

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