毫米级软体机器人实现高效游动！马普所与苏黎世联邦理工中国学者展示设计方案
导读
游动机器人，因为其在水环境中的运动，探索，物质传递的能力，一直是机器人研究中的热点之一（图一）。长期以来，对游动机器人的设计，分析，与控制一直围绕着毫米以下和厘米以上的尺度（一般在低，高雷诺数环境下）进行展开，而对于毫米级别（一般在中雷诺数环境下）的游动机器人，如何设计使其能够高效游动，一直没有被实现。来自德国马克思普朗克智能系统研究所（Max Planck Institute for Intelligent Systems）和瑞士苏黎世联邦理工（ETH Zurich）Metin Sitti教授团队的中国学者王添路，任子宇，胡文琪博士，和李明通，利用优化方法设计了相关的新型磁控仿生机器人平台，通过系统的实验，理论建模，和与新材料的结合揭示了一套毫米级别机器人高效波动游动方案。该研究成果《Effect of body stiffness distribution on larval fish–like efficientundulatory swimming（身体刚度分布对幼鱼样高效波状游动的影响）》近期发表在美国科学促进会（AAAS）旗下顶级综合期刊Science Advances上。本跨学科交叉研究将启发下一代面向环境检测，保护，医疗应用的毫米级别机器人的设计。
图一 在水下进行检测任务的仿生机器鱼（来源：Science Robotics）
▍波动产生游动
在水环境中生活的生物，很多都采用波动的方式进行游动，如大部分的鱼类。这种“大波浪”式的推动方式来自于鱼类本身肌肉的收缩，以及身体与周围水环境的交互耦合（FSI, fluid-structure interaction）。其中，这种与环境的耦合甚至可以直接用来产生波动游动。在MIT和Harvard的一项合作研究中，学者们发现，一条已经“归西”的成鱼可以在特定的涡流下产生逆流而上的游动（图二）。这些相似的研究也启发着人们去思考如何能更好的设计出性能更强，如能量效率更高的仿生鱼，以实现续航更持久的水下操作。近期的研究也表明，如果把图的身体想象成一串弹簧，那么这些弹簧的硬度分布，高度决定了机器鱼的游动能量效率。
图二 鱼体与涡流的耦合使一条“归西”的鱼产生波动并产生逆流而上的游动（来源：Journal of Fluid Mechanics）
▍机器人本体与控制方案设计
在大尺度的仿生鱼中，相关的研究已经展开多年，学者们也发现，一种从头到尾由硬到软的刚度分布是一种最好的设计方案。然而，由于之前实验研究手段的限制，关于毫米级别的游动机器人应该如何设计以提高游动效率，学界尚未给出一个合理的方案。在本项工作中，王添路等人把磁性物质与聚合物材料进行结合理的结合，优化设计制造出一批可被外界磁场无线驱动的仿生斑马鱼幼鱼。这批机器人可以实现幼鱼游动中的多项特性，例如尺寸，整体的身体形态，游动波形，游动频率（每秒头部摆动30次到100次），速度范围，和一致的流体环境（中雷诺数）等。通过基于优化的设计方法，作者们设计了不同的身体刚度分布以及与之搭配的磁场控制信号，实现了多种在30Hz 到100Hz频率范围内与斑马鱼幼鱼相似的游动（图三，视频一）。
图三 毫米软体机器人实现了和真实斑马鱼幼鱼一致的游动形态（来源：Science Advances）
视频一 毫米软体机器人和真实斑马鱼幼鱼游动波形对比（来源：Science Advances）
▍系统实验，理论建模与涡流的分析
在设计制造的这批机器人中，最主要的区别在于他们身体的刚度分布。系统的实验分析与动力学建模仿真表明，高频游动与合理的均匀刚度分布产生了在中雷诺数环境中最高效的波动游动方式（图四）。
图四 实验结果与动力学建模分析显示高频游动与合理的均匀刚度分布对能量效率的积极作用
为了从机器人与流体耦合的角度揭示这一现象，作者们对机器人在游动过程中产生的波形与涡流的形态进行了系统的观测与分析。结果显示，高频游动与均匀的刚度分布能够优化波形与流场的行成，产生“更高，更快，更强“的推进能力（图五，图六）
图五 波形的运动学分析
图六 流场分析
▍新材料赋予实时刚度分布变化能力
为了实时展现出高频游动与合理的均匀刚度分布对高效游动的影响，作者们将机器鱼本体的与高分子形状记忆聚合物（shape memory polymer, SMP）结合，使得机器人获得了能根据环境温度变化刚度分布的能力（视频二）。这一动态展示更进一步的说明了合理的设计毫米级别机器人身体刚度分布与控制信号频率的重要性。作者们也展示出这种游动的方向可通过外部磁场控制的方向而进行合理的改变。这种控制方法可以被积极地应用在其面向医疗的功能场景下，如体液环境下的靶向物质传递（视频三）。
视频二 毫米级机器鱼的变刚度游动
视频三 通过改变外部磁场信号，机器鱼的游动方向可被控制
▍展望
从微观的低雷诺数环境下的精子到大尺度高雷诺数环境下的鲸鱼，波动游动是自然界中最广泛存在的一种运动模式。本工作的重要性在于提出了一套在中雷诺数环境下的的高效波动游动机器人设计方案。这种设计方案可以被快速应用在针对复杂水域环境的微型监测机器人与面向体液环境的微型医疗机器人等方向上。另外，大量的生物数据表明，斑马鱼幼鱼在孵化后2到5天内，其脊索尚未分化发育为具备刚度调节的脊柱，并且其游动的频率极高（平均在85 Hz，而斑马鱼成鱼的游动频率一般在20 Hz左右）。这两种现象与本研究中发现的高效游动方式的产生机制非常一致。这不禁使人遐想，生物的进化使斑马鱼幼鱼在能量短缺的情况下，能以一种最高效的方式节省能量，以成功成长为成鱼。当然，这种生物方面的假设，依然需要后续对生物大量的观测才能系统的验证，而本文中研发的机器人平台恰恰能为此类跨学科跨领域的研究提供坚实的基础。
近年来随着微制造微加工技术的发展，机器人技术与人工智能的广泛结合，越来越多重要的工作开始关注微小尺度机器人系统的制造与应用。与此同时，微小尺度机器人的应用场景也在被逐渐拓宽，其也从限制在一定操作范围内的医疗功能发展到操作空间广阔的野外机器人。相信本工作可以为小尺度机器人领域的进一步发展起到启发作用。
▍作者，基金介绍
该工作由马克思普朗克智能系统研究所，物理智能部门王添路，任子宇，高级研究员胡文琪博士（共同第一作者）和李明通合作完成。整体工作在部门主任，智能所所长，苏黎世联邦理工教授Metin Sitti教授的指导下进行。王添路与任子宇同时为苏黎世联邦理工信息技术与电气工程系在读博士生。该研究得到了马克思普朗克协会（Max Planck Society(MPG)），欧洲研究委员会（European Research Council (ERC) Advanced Grant ），德国研究基金会（GermanResearch Foundation (DFG) ）的资助。
文章链接
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).