基于智能材料的深海執行器及海洋仿生機器人研究綜述

郭 健，潘彬彬，崔維成，3，胡勝兵，韓摯陽

（1.上海海洋大學海洋科學學院，上海 201306；2.上海海洋大學深淵科學技術研究中心（上海深淵科學工程技術研究中心），上海 201306；3.西湖大學工學院，杭州 310024）

0 引 言

21 世紀是海洋的時代，同時海洋裝備呈現高質量發展趨勢。海洋中90%的水深超過1000 m，但遺憾的是，人類對水深在1000 m 以上的海洋知之甚少。深海是海洋中充滿神秘和未知的區域，是全球油氣、礦物以及生物資源的最主要集結區[1]，是“智慧海洋”的核心區。近年來，隨著人工智能、巨量數據集合、網絡云等新興技術在海洋領域的應用，智慧海洋成為了實施海洋強國戰略的又一角逐“高地”[2]。智慧海洋工程走向深海，在現代化的海洋裝備和海洋活動中深度融合先進的信息技術和智能技術，不斷推進深海海域的透明化，這對了解海洋、認識海洋和服務海洋具有重要意義。

智能材料是20世紀90年代受生物啟發或模仿生物特性而開發出的一類集感知、驅動及控制為一體的類似生物智能特征的新型功能材料，是21世紀最具發展潛力的涉及多學科的前沿交叉研究領域之一，在航天、國防、海工、機電、生物醫學與工程等領域具有極大的應用潛力[3-4]。在海洋智能化時代，發展小型智能化水下無人設備是實現未來海洋觀測的重要機遇和挑戰[5]。面對人類不可預知的極端深海環境，開發和應用可以挑戰各種復雜海底環境的智能水下機器人將至關重要。由于受傳統的水下機器人響應速度、驅動方式和體積等因素的限制，導致其機動性、可控制性及環境適應性受到極大的制約。“物競天擇”的自然生存法則使海洋生物的身體結構和運動模式得到了最優化的選擇，將智能驅動材料深度融合到海洋仿生機器人的研制中是當前水下機器人領域的技術前沿之一[6-7]。

本文綜述了基于智能材料的深海執行器和海洋仿生機器人的國內外發展概況，分析比較了它們的驅動機理、結構設計特點以及優劣勢等，并對未來在海洋領域應用的主要技術挑戰和發展趨勢作出了展望。

1 智能驅動材料

智能材料是一類可以對外界差異刺激做出不同反應和處理的新型智能化功能材料系統。智能驅動材料兼具感知、執行和信息控制等功能，可以實現“無機械關節的原位驅動”模式,是一種發展潛力極大的獨特驅動方式[6]。常見的智能驅動材料主要包含形狀記憶合金/聚合物（shape memory alloy/polymer，SMA/SMP）、壓電陶瓷（piezoelectric transducer，PZT）、電活性聚合物（electroactive polymers，EAP）等[8]，其中典型的電活性聚合物又可細分為離子聚合物金屬復合材料（ionic polymer-metal composites，IPMC）和介電彈性體（dielectric elastomer，DE）[9]。

智能材料的驅動特點和性能會因各材料的驅動機理不同而有所區別。SMA用于水下驅動系統主要是利用形狀記憶效應（SME）的性質，且以單程記憶效應為主。目前，Ni-Ti 系SMA 的實踐應用最為普遍[10]，其最大收縮應變可達8%，具有優異的超彈性、形狀記憶效應、生物相容性、高阻尼性以及耐磨性等[11]；PZT 具有高輸出能力、高功率密度以及尺寸緊湊等優點，在傳感器和制動器領域被廣泛應用[12]；IPMC具有體積小、重量輕、響應快的優勢，但輸出功率較小[13]；DE具有彈性模量低、變形大、工作溫度寬、機電耦合效率高以及頻率范圍廣等獨特的優點[14]，但驅動電壓較高，在海水環境中的絕緣傳輸存在較大的困難，且面臨超限擊穿失效的風險，常見智能材料的性能參數如表1所示。

表1 典型智能驅動材料的性能參數[6]Tab.1 Performance parameters of typical smart drive materials[6]

2 深海執行器

隨著深海探索的發展，越來越多的海洋裝備被投放在深海區域，其搭載的很多傳感器和采樣設備都需要深海執行器將電能轉化為機械能，并完成觸發或執行指定動作，而傳統的執行器存在固有缺陷，迫切需要新型執行器來代替。

2.1 傳統深海執行器

經過多年的發展，深海探索的裝備主要有載人潛水器、無人潛水器、深海著陸器、水下滑翔機、剖面浮標和深拖等[15-16]，如圖1 所示。這些傳統深海裝備一般以電磁體、電機或液壓等[17]作為驅動執行器，存在造價高、系統復雜、重量重、體積大、長周期布放可靠性低、噪聲和電磁干擾及生物兼容性差等固有的局限性。

圖1 傳統海洋探索裝備[15-16]Fig.1 Traditional ocean exploration equipment[15-16]

2.2 智能驅動器

為了突破傳統深海執行器的缺陷，人類開始向自然學習，將可以感知外部刺激的智能材料引入海洋領域。智能材料的應力-應變性能優異，耐壓和密封系統結構簡單，重量和體積超小，自身可以完成電能到機械能的輸出。目前，智能驅動器主要有SMA 驅動器、EAP 驅動器和PZT 驅動器等，且大部分處于淡水試驗階段，在深海極端環境下的性能參數尚不明確。

2.2.1 SMA驅動器

多數SMA 驅動器由軟體介質基底和驅動元件組成，其結構的變形和驅動力通常是單根或多根SMA 絲的組合致動[9]。SMA 驅動器的變形能力較為突出，但存在散熱慢和效率低的問題。針對這些局限性，Wang等[18]提出了一種以易熔合金管來提高軟體材料剛性的耦合新型驅動器，如圖2（a）所示。She 等[19]利用寬窄片的物理結構優勢研制了一種片狀的SMA 驅動器，成功規避了材料散熱慢的問題，從而有效提高了工作效率，如圖2（b）所示。Hugo 等[20]將SMA 絲傾斜分列在硅膠薄片表面，通過加熱圓柱形的卷縮硅膠片可產生最大30°的扭轉變形，實現了SMA驅動器的扭轉運動，如圖2（c）所示。

圖2 SMA驅動器[18-20]Fig.2 SMA actuator[18-20]

2.2.2 EAP驅動器

EAP驅動器主要包括IPMC 和DE兩種。IPMC 驅動器的驅動電壓低、頻率快、能耗少，但游速和驅動力較小。Guo 等[21]將柔性聚合物（PEDOT）移植到IPMC 電極表面，改善驅動器的機電性能并有效減少水分流失，使其穩定工作時間延長至1000 s 以上，如圖3（a）所示。DE 驅動器響應快、無噪點干擾，但驅動電壓較高，技術難度相對較大。Liu 等[22]提出一種內置蜂窩元結構的單向軟介電彈性體執行器，其蜂窩元將驅動器的面擴展轉換為定向變形，額定應變達到15.8%，如圖3（b）所示。Giacomo 等[23]設計了一種基于苯乙烯基合成橡膠（SR）的介電彈性體執行器，利用橡膠的雙軸預拉伸來實現DE膜的剛度補償，從而使執行器側面行程提升了18%以上，如圖3（c）所示。

圖3 EAP驅動器[21-23]Fig.3 EAP actuator[21-23]

2.2.3 PZT驅動器

PZT 驅動器在水下可執行伸縮雙向動作，類似雙程記憶效應SMA 的功能，伸縮應力在100 MPa 量級，且動作頻率較高，電能轉為機械能的效率高達90%左右，但變形量僅有0.2%左右，作為驅動器時需要傳輸機構來放大，一定程度上增大了裝備的體積，同時驅動PZT 需要較高的電壓（50～800 V），這就帶來密封困難和效率降低等問題。因此，目前PZT驅動器僅在壓電電機領域應用[24-25]（見圖4），而在深海領域未有實際探索嘗試。

圖4 PZT驅動器[24-25]Fig.4 PZT actuator[24-25]

2.3 典型深海執行器的對比

SMA驅動器造價低、結構簡單、耐腐蝕、應力和應變都較大，具備很多深海執行器需要的輸出力和輸出行程要求。DE 驅動器的高驅動電壓在海水環境中的絕緣傳輸存在較大的困難。IPMC 驅動器提供的驅動力較小，在海水等離子溶液中存在較嚴重的漏電現象，導致其動作幅度和效率極大降低。綜合使用環境、輸出力、行程、結構、重量以及體積等因素，SMA 驅動器是現階段最接近海洋工程實用化的智能材料。不同執行器的性能參數見表2。

表2 典型深海執行器的性能參數Tab.2 Performance parameters of typical deep-sea actuators

3 海洋仿生機器人

綜合智能材料和海洋生物的推進方式而設計出的海洋仿生機器人能夠較好地完成指定動作，從而使人類在不破壞海洋生態系統的前提下更好地了解海洋、運用海洋。

3.1 海洋生物推進模式

海洋生物的推進模式是生活環境、習性、運動能力長期綜合優化的結果。科學家將海洋生物的推進方式分為：擺動、劃動、螺旋以及噴射推進。擺動模式是海洋魚類最普遍的游動方式[26]，也是目前研究最多的推進方式，具體如圖5（a）所示；劃動推進是近底海洋端足類生物的常用運動方式，如圖5（b）所示；噴射推進在烏賊、魷魚、水母等具有特殊構造的海洋生物中較為常見，是仿生推進系統的重點模仿模式。

圖5 海洋生物推進方式Fig.5 Swimming modes of marine life

3.2 智能海洋仿生機器人

綜合現有仿生結構、智能驅動材料以及先進的控制方式，發展功能趨近海洋生物的機器人是當前水下機器人領域的技術前沿之一。目前，海洋仿生對象主要有海龜、水母、烏賊、蝠鲼和牛鼻魟魚等。

3.2.1 SMA仿生機器人

日本香川大學Shi 等[27]模仿水母的運動，提出了基于SMA 驅動的新型仿生水下機器人，如圖6（a）所示；之后，Sumoto等[28]為了突破小型機器魚的有效載荷小和無法攜帶傳感器的局限性，通過分段二進制控制法（SBC）開發了SMA驅動的大型魚型機器人，游速達到了7 cm/s，如圖6（b）所示；美國弗吉尼亞理工學院的Villanueva 等[29]模仿海月水母的推進機制和外觀，研制了一種基于仿生形狀記憶合金復合材料（BISMAC）驅動的仿生水母機器人Robojelly，其直徑為164 mm，最高速度為54.2 mm/s，如圖6（c）所示；韓國首爾國立大學的Song 等[30]開發了以智能軟復合材料結構（SSC）為執行器的仿生海龜，通過SMA 和編織物的復合實現了海龜在多步態下的柔和動作，游速最大可達22.5 mm/s，如圖6（d）所示。

圖6 SMA仿生機器人（I）[27-30]Fig.6 Biomimetic robot(I)actuated by SMA[27-30]

哈爾濱工業大學Wang 等[31]研制了一種以SMA 絲驅動的無線仿生蝠鲼機器人，長243 mm，質量354 g，最高游速為57 mm/s，如圖7（a）所示；高飛等[32]結合烏賊噴射推進的運動方式，將SMA 絲和硅膠組合作為仿生外套膜，設計了一種推進速度更快（87.7 mm/s）、運動性能更佳的仿生機器人，如圖7（b）所示；中國科學技術大學Zhou等[33]通過軟智能模塊化結構（SMS）實現了水母的三維運動模式，其以最大111 mm/s的直線巡游速度超過了海洋水母的速度，如圖7（c）所示；哈爾濱工程大學林希元[34]研制了一款SMA 彈簧驅動的仿生水母，通過搭建非線性控制系統，得到了水母運動速度、排水情況與SMA 加熱電流的關系，如圖7（d）所示。

圖7 SMA仿生機器人（II）[31-34]Fig.7 Biomimetic robot(II)actuated by SMA[31-34]

3.2.2 IPMC仿生機器人

美國弗吉尼亞大學Chen 等[35]以IPMC 為驅動材料研制了長80 mm，質量為55.3 g 的仿生蝠鲼機器魚，其在3.3 V電壓、0.4 Hz頻率下，最大速度達到4.2 mm/s，如圖8（a）所示；之后，他們又以牛鼻魟魚為仿生對象，研制了基于IPMC 驅動的仿生機器魚，其體長210 mm，重119 g，可自主游動，游動速度為7 mm/s[36]，如圖8（b）所示；美國弗吉尼亞理工大學Najem等[37]基于維多利亞水母的鐘形運動學機理，設計了一種以多個IPMC 執行器驅動的軟體透明水母機器人，其直徑為164 mm，重量為11 g，最大速度為1.5 mm/s，如圖8（c）所示；Hubbard等[38]在軟體機器魚的魚鰭和魚尾上融合了IPMC材料，從而使最大游速達到了28 mm/s，如圖8（d）所示。

圖8 IPMC仿生機器人[35-38]Fig.8 Biomimetic robot actuated by IPMC[35-38]

3.2.3 DE仿生機器人

哈佛大學Berlinger 等[39]將多層DE 疊加形成的模塊化鰭狀致動器應用于微型水下自主航行器（AUV）中，使輸出力和效率得到了極大的提升，最大游速達到了55 mm/s，如圖9（a）所示。瑞士洛桑聯邦理工學院Shintake等[40]研制了基于DE驅動的仿生機器魚和仿生水母，解決了DE在導電液體中可靠運行的問題，但實測游速均較小，如圖9（b）所示。之后，又改進設計了長150 mm，厚0.75 mm，重4.4 g，最高游速可達37.2 mm/s 的超薄軟體機器魚[41]，同時證明基于DE 驅動的擺動推進方式具有很高的潛力，如圖9（c）所示。

圖9 DE仿生機器人（I）[39-41]Fig.9 Biomimetic robot(I)actuated by DE[39-41]

浙江大學Li等[42]以蝠鲼為仿生原型，將DE作為驅動材料，以透明硅膠作為柔性結構體，研制了可快速運動且方向可控的隱蔽性柔性電子魚，其長93 mm，在9.5 kV、5 Hz的條件下可達到64 mm/s 的游動速度，如圖10（a）所示。浙江大學李國瑞[43]以硅膠胸鰭和DE驅動模塊為動力系統，研制了一種耐極端靜水壓力的深海軟體機器魚，其長205 mm，重138.6 g，實現了在110 MPa靜水壓力下的自主游動，如圖10（b）所示；之后，又開發了一款電驅動仿生水母機器人[43]，其在9 kV、1.6 Hz 時最大游速達到了10 mm/s，最大推力為0.12 mN，如圖10（c）所示。

圖10 DE仿生機器人（II）[42-43]Fig.10 Biomimetic robot(II)actuated by DE[42-43]

3.2.4 PZT仿生機器人

美國加州大學伯克利分校Deng 等[44]模仿箱鲀科魚類，試制了一種總長為12 mm 的微型水下航行器，具體見圖11（a）。韓國Heo等[45]研制了一種以PZT 驅動的仿生機器魚，其長為270 mm，在0.9 Hz頻率下的最大推力為0.0071 N，最大游速為25.19 mm/s，如圖11（b）所示。之后，Nguyen 等[46]用4 個PZT薄膜作為驅動元件，設計了一款仿生機器魚，如圖11（c）所示。該機器魚長400 mm，在1.4 Hz 頻率下的最大推力為0.0048 N，最大游速為32 mm/s。

圖11 PZT仿生機器人[44-46]Fig.11 Biomimetic robot actuated by PZT[44-46]

4 深海技術挑戰及展望

4.1 深海技術挑戰

智能材料驅動的深海裝備及海洋仿生機器人的研究是為了最終在海洋中投放使用甚至組成集群執行任務，但目前的淡水試驗階段，并未考慮深海實際使用環境。因此，在耐壓、低溫、驅動力和環境適應性等關鍵技術方面仍需開展深入研究。

（1）深海高壓環境

全海深極端環境下的最大壓力可達到110 MPa，智能驅動器在靜水壓力和執行載荷作用下的應力-應變變化情況需要構建三維本構模型，一維模型已不符合實際外部環境要素。現階段的實驗室仿生驅動結構大都以硅膠包覆，不具備耐壓能力，其在深海壓力環境下會存在結構損壞和漏水等問題。

（2）深海低溫環境

智能材料的熱力學性能與環境溫度密切相關，而深海海底的溫度與常溫最大相差10 倍，現階段的仿生機器人僅基本研究智能材料在室溫環境（約24 ℃）下的熱力學性能，而在深海低溫環境下的熱力學性能還屬未知。

（3）海水導電性

智能材料的最大優勢就是集執行和傳感于一身，通過自身的電阻變化可知驅動器的執行情況，但海水是導電的離子溶液，且不同海區在不同季節的電導率不同，這將導致采用材料電阻來進行閉環控制的方法會存在偏差。此外，海水導電性也將使智能材料和連接線路產生漏電，這必然引起驅動器電能轉換為機械能的效率損失。

（4）海浪

目前的智能仿生機器人結構大都以硅膠作為包覆主體，且驅動器和主體結構基本采用粘膠固定，在實際海洋環境中的布放會因海浪的沖擊而發生破壞或失效。因此，針對多變的海洋環境和實際海洋工程應用，需要對智能仿生機器人的整體結構進行強度設計。

4.2 未來發展趨勢

（1）海洋仿生學的微觀認知

隨著多學科、多領域的技術融合交叉，傳統仿生學的宏觀認知已經無法適應多變的技術要求，海洋仿生學將實現從宏觀到微觀的多層次跨域、不斷深入細化，從而為實際工程應用提供理論支撐。

（2）海洋復雜環境的高度適應性

復雜多變的海洋環境對海洋仿生機器人的實際工程應用是一個巨大的挑戰，未來對于仿生機器人的結構、材料輕便度以及抗腐蝕性等都將提出更高的要求，同時還應兼具小型輕便的發展趨勢。

（3）全柔一體化仿生結構

目前的海洋仿生機器人并未對海洋生物的生物學原型進行完全模仿，其主體結構還是以剛性結構為主，僅有驅動部分屬于柔性結構，這就使大部分仿生機器人只能單維度運動。未來可將柔性結構和仿生驅動構件結合，發展全柔一體化仿生結構，不僅可以避免粘膠固定的弊端，而且可以實現多個自由度的連續柔性動作。

（4）智能化精準控制

傳統的控制方法基本還是以人為主導，對于外界的環境變化無法做出合理判斷和更正。未來的海洋仿生機器人將會融合人工智能和機器學習技術，更加注重無人自主化，通過模仿生物神經系統對自身的精準控制，實現多感知信息融合和協同控制的環境感知能力。

（5）負載應用能力

目前的海洋仿生機器人基本處于運動仿生階段，不具備實際工程化應用的負載能力。未來針對實際的海洋環境勘測和調查需要，仿生機器人必須具備運動自維持和攜帶部分傳感器的能力，從而完成其既定任務目標。

（6）高效的生物能轉換應用

隨著海洋仿生機器人工程化應用的深入，單一的電能轉化為機械能必然無法滿足應用的長周期能源供給。未來將綜合物理、化學以及生物學等多個學科領域來實現生物能量的高效轉換和傳遞，從而降低仿生機器人的能耗，提高能量利用率[47-48]。

5 結 語

基于智能材料的深海執行器和海洋仿生機器人是一個多學科交叉的新興前沿領域。本文通過對常見的智能驅動材料的結構屬性和驅動機理進行介紹，綜述了深海執行器和海洋仿生機器人的國內外研究現狀和存在的主要問題：

（1）智能材料的應力-應變性能優異，自身可完成電能至機械能的直接輸出，從而可免去（或部分免去）耐壓和密封結構，整個系統結構簡單，具有傳統水下驅動器無法比擬的超小重量和體積，是未來傳統水下驅動器的優秀替代者，但材料的驅動效率相較于傳統驅動器還有一定的差距。

（2）從使用環境、輸出力、輸出行程、結構、重量、體積等方面綜合比較，SMA 是現階段最具有海洋工程應用前景的智能材料。

（3）傳統深海執行器存在重量體積大、可靠性低、噪聲和電磁干擾以及生物兼容性差等問題。目前，基于智能材料的水下執行器主要有SMA 驅動器、EAP 驅動器和PZT 驅動器等，且基本處于實驗室階段，其在深海極端環境下的性能參數仍有待進一步研究。

（4）SMA 仿生機器人制作簡單、驅動力大、應用范圍廣，但是散熱慢、效率較低；IPMC 仿生機器人運動靈活、輸出位移大，但響應頻率低、驅動力較小且材料需要液體環境；DE仿生機器人驅動頻率高，變形大，但驅動電壓高，需要預拉伸來發揮驅動作用，同時需要預設剛性框架支撐；PZT 仿生機器人響應速度快，驅動力大，但驅動電壓大，變形小。