導讀
遊動機器人，因為其在水環境中的運動，探索，物質傳遞的能力，一直是機器人研究中的熱點之一（圖一）。長期以來，對遊動機器人的設計，分析，與控制一直圍繞著毫米以下和釐米以上的尺度（一般在低，高雷諾數環境下）進行展開，而對於毫米級別（一般在中雷諾數環境下）的遊動機器人，如何設計使其能夠高效遊動，一直沒有被實現。來自德國馬克思普朗克智慧系統研究所（Max Planck Institute for Intelligent Systems）和瑞士蘇黎世聯邦理工（ETH Zurich）Metin Sitti教授團隊的中國學者王添路，任子宇，胡文琪博士，和李明通，利用最佳化方法設計了相關的新型磁控仿生機器人平臺，透過系統的實驗，理論建模，和與新材料的結合揭示了一套毫米級別機器人高效波動遊動方案。該研究成果《Effect of body stiffness distribution on larval fish–like efficientundulatory swimming（身體剛度分佈對幼魚樣高效波狀遊動的影響）》近期發表在美國科學促進會（AAAS）旗下頂級綜合期刊Science Advances上。本跨學科交叉研究將啟發下一代面向環境檢測，保護，醫療應用的毫米級別機器人的設計。
圖一 在水下進行檢測任務的仿生機器魚（來源：Science Robotics）
▍波動產生遊動
在水環境中生活的生物，很多都採用波動的方式進行遊動，如大部分的魚類。這種“大波浪”式的推動方式來自於魚類本身肌肉的收縮，以及身體與周圍水環境的互動耦合（FSI， fluid-structure interaction）。其中，這種與環境的耦合甚至可以直接用來產生波動遊動。在MIT和Harvard的一項合作研究中，學者們發現，一條已經“歸西”的成魚可以在特定的渦流下產生逆流而上的遊動（圖二）。這些相似的研究也啟發著人們去思考如何能更好的設計出效能更強，如能量效率更高的仿生魚，以實現續航更持久的水下操作。近期的研究也表明，如果把圖的身體想象成一串彈簧，那麼這些彈簧的硬度分佈，高度決定了機器魚的遊動能量效率。
圖二 魚體與渦流的耦合使一條“歸西”的魚產生波動併產生逆流而上的遊動（來源：Journal of Fluid Mechanics）
▍機器人本體與控制方案設計
在大尺度的仿生魚中，相關的研究已經展開多年，學者們也發現，一種從頭到尾由硬到軟的剛度分佈是一種最好的設計方案。
然而，由於之前實驗研究手段的限制，關於毫米級別的遊動機器人應該如何設計以提高遊動效率，學界尚未給出一個合理的方案。在本項工作中，王添路等人把磁性物質與聚合物材料進行結合理的結合，最佳化設計製造出一批可被外界磁場無線驅動的仿生斑馬魚幼魚。這批機器人可以實現幼魚遊動中的多項特性，例如尺寸，整體的身體形態，遊動波形，遊動頻率（每秒頭部擺動30次到100次），速度範圍，和一致的流體環境（中雷諾數）等。透過基於最佳化的設計方法，作者們設計了不同的身體剛度分佈以及與之搭配的磁場控制訊號，實現了多種在30Hz 到100Hz頻率範圍內與斑馬魚幼魚相似的遊動（圖三，影片一）。
圖三 毫米軟體機器人實現了和真實斑馬魚幼魚一致的遊動形態（來源：Science Advances）
影片一 毫米軟體機器人和真實斑馬魚幼魚遊動波形對比（來源：Science Advances）
▍系統實驗，理論建模與渦流的分析
在設計製造的這批機器人中，
最主要的區別在於他們身體的剛度分佈。
系統的實驗分析與動力學建模模擬表明，高頻遊動與合理的均勻剛度分佈產生了在中雷諾數環境中最高效的波動遊動方式（圖四）。
圖四 實驗結果與動力學建模分析顯示高頻遊動與合理的均勻剛度分佈對能量效率的積極作用
為了從機器人與流體耦合的角度揭示這一現象，作者們對機器人在遊動過程中產生的波形與渦流的形態進行了系統的觀測與分析。
結果顯示，高頻遊動與均勻的剛度分佈能夠最佳化波形與流場的行成，產生“更高，更快，更強“的推進能力（圖五，圖六）
圖五 波形的運動學分析
圖六 流場分析
▍新材料賦予實時剛度分佈變化能力
為了實時展現出高頻遊動與合理的均勻剛度分佈對高效遊動的影響，作者們將機器魚本體的與高分子形狀記憶聚合物（shape memory polymer， SMP）結合，使得機器人獲得了能根據環境溫度變化剛度分佈的能力（影片二）。這一動態展示更進一步的說明了合理的設計毫米級別機器人身體剛度分佈與控制訊號頻率的重要性。作者們也展示出這種遊動的方向可透過外部磁場控制的方向而進行合理的改變。這種控制方法可以被積極地應用在其面向醫療的功能場景下，如體液環境下的靶向物質傳遞（影片三）。
影片二 毫米級機器魚的變剛度遊動
影片三 透過改變外部磁場訊號，機器魚的遊動方向可被控制
▍展望
從微觀的低雷諾數環境下的精子到大尺度高雷諾數環境下的鯨魚，波動遊動是自然界中最廣泛存在的一種運動模式。
本工作的重要性在於提出了一套在中雷諾數環境下的的高效波動遊動機器人設計方案。這種設計方案可以被快速應用在針對複雜水域環境的微型監測機器人與面向體液環境的微型醫療機器人等方向上。另外，大量的生物資料表明，斑馬魚幼魚在孵化後2到5天內，其脊索尚未分化發育為具備剛度調節的脊柱，並且其遊動的頻率極高（平均在85 Hz，而斑馬魚成魚的遊動頻率一般在20 Hz左右）。這兩種現象與本研究中發現的高效遊動方式的產生機制非常一致。這不禁使人遐想，生物的進化使斑馬魚幼魚在能量短缺的情況下，能以一種最高效的方式節省能量，以成功成長為成魚。當然，這種生物方面的假設，依然需要後續對生物大量的觀測才能系統的驗證，而本文中研發的機器人平臺恰恰能為此類跨學科跨領域的研究提供堅實的基礎。
近年來隨著微製造微加工技術的發展，機器人技術與人工智慧的廣泛結合，越來越多重要的工作開始關注微小尺度機器人系統的製造與應用。與此同時，微小尺度機器人的應用場景也在被逐漸拓寬，其也從限制在一定操作範圍內的醫療功能發展到操作空間廣闊的野外機器人。
相信本工作可以為小尺度機器人領域的進一步發展起到啟發作用。
▍作者，基金介紹
該工作由馬克思普朗克智慧系統研究所，物理智慧部門王添路，任子宇，高階研究員胡文琪博士（共同第一作者）和李明通合作完成。整體工作在部門主任，智慧所所長，蘇黎世聯邦理工教授Metin Sitti教授的指導下進行。王添路與任子宇同時為蘇黎世聯邦理工資訊科技與電氣工程系在讀博士生。該研究得到了馬克思普朗克協會（Max Planck Society（MPG）），歐洲研究委員會（European Research Council （ERC） Advanced Grant ），德國研究基金會（GermanResearch Foundation （DFG） ）的資助。
文章連結
T。 Wang， Z。 Ren， W。 Hu， M。 Li， M。 Sitti， Effect of bodystiffness distribution on larval fish– like efficient undulatory swimming。 Sci。Adv。 7， eabf7364 （2021）。
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