自然界中的魚類是天生的游泳健將。從復(fù)雜環(huán)境中的靈活穿梭，到捕食瞬間的“爆發(fā)式”沖刺，它們似乎總能完美適應(yīng)環(huán)境。在自然界中，魚類展現(xiàn)出高度適應(yīng)環(huán)境的運動能力：它們既能在復(fù)雜地形中靈活穿梭，也能在捕食和逃逸時實現(xiàn)爆發(fā)式高速推進(jìn)。

金槍魚高速沖刺 (High-speed）

▍魚類游動的秘密：身體“用多長”很重要

這種能力來源于魚類對身體波動方式的精細(xì)調(diào)控。根據(jù)身體參與波動的長度比例不同，魚類演化出了鰻鱺科模式、亞鲹科模式、鲹科模式和金槍魚模式4種BCF 游動方式。隨著參與擺動的身體區(qū)域逐漸向尾部集中，魚類的游動速度和呈現(xiàn)出顯著提升。其中，鰻鱺類魚通過全身波動獲得極高的機(jī)動性，但游動速度較低；而金槍魚類則通過增強(qiáng)軀干剛度、將擺動集中于尾柄和尾鰭區(qū)域，在高速條件下仍能保持卓越的推進(jìn)效率。

← 靈活性更高 (More Maneuverable) | 速度更高 (Higher Speed)

長期以來，一個核心科學(xué)問題尚未得到充分闡釋：為何僅依靠尾部擺動的金槍魚能夠?qū)崿F(xiàn)高頻高速推進(jìn)，而全身波動的鰻鱺科魚類卻受到限制？

除形態(tài)與結(jié)構(gòu)因素外，參與波動的身體長度（即肌肉招募比例）被認(rèn)為是關(guān)鍵但長期被忽視的變量。由于生物肌電測量的侵入性限制，相關(guān)假說難以直接驗證。仿生機(jī)器魚為逆向研究魚類游動機(jī)理提供了新途徑，但現(xiàn)有機(jī)器魚研究往往陷入“專精化”的困境：造出來模仿鰻魚的機(jī)器魚，靈活但跑不快；模仿金槍魚的機(jī)器魚，速度快卻轉(zhuǎn)不了彎。每種設(shè)計都自成一體，硬件不同，難以直接比較。

針對這一挑戰(zhàn)，喻俊志教授團(tuán)隊受魚類分節(jié)肌肉結(jié)構(gòu)啟發(fā)，在國際頂級期刊《Science Advances》上發(fā)表了題為“Adaptive multimodal swimming gaits in a reconfigurable modular soft robotic fish”的研究論文。

該研究開發(fā)了一種基于張拉整體結(jié)構(gòu)與仿生變剛度肌肉的多模態(tài)機(jī)器魚平臺。其核心是團(tuán)隊自主研發(fā)的仿生變剛度肌肉，基于層狀阻塞原理實現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度的快速、大幅調(diào)節(jié)。通過對尾部關(guān)節(jié)剛度分布的協(xié)同控制，機(jī)器魚可在同一平臺上實現(xiàn)從高機(jī)動的“鰻鱺科模式”到高速沖刺的“金槍魚模式”的自由切換，為系統(tǒng)揭示不同游動模式的生物力學(xué)機(jī)制提供了統(tǒng)一的實驗平臺。

多模態(tài)的機(jī)器魚，能夠模仿四種不同的游動模態(tài)

▍誕生：一條能“切換骨骼”的機(jī)器魚

受魚類肌節(jié)（肌肉分節(jié)）結(jié)構(gòu)和肌肉剛度調(diào)節(jié)機(jī)制的啟發(fā)，米蘭體育官方網(wǎng)站研究團(tuán)隊創(chuàng)造性地設(shè)計了一條多模態(tài)軟體機(jī)器魚。它的身體核心是一個由四個張拉整體關(guān)節(jié)串聯(lián)而成的“脊柱”。每個關(guān)節(jié)的奧秘在于其兩側(cè)的四條仿生干擾層肌肉（BJLM）。

多模態(tài)軟機(jī)器魚的設(shè)計

這種肌肉由多層特殊的彈性層疊加而成，層與層之間可以自由滑動。關(guān)鍵在于，當(dāng)研究人員向這些肌肉內(nèi)部施加負(fù)壓（抽真空）時，多層結(jié)構(gòu)會被緊緊壓合，層間摩擦力劇增，整條肌肉會瞬間提升超過46倍剛度。

▍一條魚，四種游法

得益于這種兼具大剛度調(diào)節(jié)范圍與快速響應(yīng)能力的“剛?cè)岵?jì)”特性，機(jī)器魚的身體力學(xué)屬性得以實現(xiàn)可編程調(diào)控。通過邏輯控制四個尾部關(guān)節(jié)的軟硬分布，機(jī)器魚能夠在同一平臺上實現(xiàn)不同游動模態(tài)的快速切換：當(dāng)所有關(guān)節(jié)處于低剛度狀態(tài)時，整體表現(xiàn)為柔性主導(dǎo)的“鰻鱺模式”；而當(dāng)近體側(cè)關(guān)節(jié)被鎖定、僅保留尾端關(guān)節(jié)擺動時，機(jī)器魚則迅速轉(zhuǎn)變?yōu)檫m于高速巡航的“金槍魚模式”。

Mode1 仿鰻鱺模態(tài) Anguilliform-like [0000]

Mode4 仿金槍魚模態(tài) Thunniform-like [1110]

量化數(shù)據(jù)也顯示，我們的機(jī)器魚運動模式與真實魚類的觀察結(jié)果高度一致，證明了我們的平臺成功復(fù)現(xiàn)了自然界中的四種游動步態(tài)。

多模態(tài)機(jī)器魚的游動

▍性能驗證：速度與靈活的“雙重突破”

擁有了這個高效的實驗平臺，莊閑和游戲網(wǎng)研究團(tuán)隊得以首次在同一個身體上，精確量化不同游動策略的性能差異。

在經(jīng)過深入研究之后，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)機(jī)器魚的游速隨著鎖定關(guān)節(jié)數(shù)量的增加而持續(xù)提高。金槍魚模式在5 Hz時達(dá)到最大游速1.24倍體長/秒（BL/s），而鰻鱺科模式在4 Hz以上出現(xiàn)明顯性能衰減。

運動學(xué)分析表明，機(jī)器魚游速由尾部振幅與魚體波傳播速度共同決定。鰻鱺科模式在高頻下因剛度不足導(dǎo)致尾部振幅快速衰減；相比之下，金槍魚模式依托高剛度軀干，在5 Hz下仍能維持較大尾部振幅，支持魚體波的高效傳播（波長約為0.75–1.05倍體長，與真實魚類高度一致）。

這表明，在高剛度支撐下，高頻、大振幅與高波速的協(xié)同作用是金槍魚模式實現(xiàn)高速巡航的關(guān)鍵。

多模態(tài)機(jī)器魚的運動學(xué)分析

計算流體動力學(xué)（CFD）數(shù)值仿真顯示，鰻鱺科模式產(chǎn)生的尾渦破碎且無序，動量耗散較大，在頭部與胸鰭附近出現(xiàn)明顯高壓阻力區(qū)，削弱了尾部推進(jìn)效果。相比之下，金槍魚模式的壓力增強(qiáng)始終集中于尾部，形成強(qiáng)烈、規(guī)整的渦環(huán)，能夠高效推動水體向后運動。

定量結(jié)果表明，金槍魚模式下的推力隨頻率單調(diào)上升，而鰻鱺科模式在4 Hz后明顯衰減；在5 Hz工況下，前者推力較后者提升142%。效率分析進(jìn)一步顯示，鰻鱺科模式在低頻下更節(jié)能，而金槍魚模式在高頻下更具優(yōu)勢。

多模態(tài)機(jī)器魚游動的水動力分析

同時，該研究也揭示了快速性與機(jī)動性之間的經(jīng)典權(quán)衡關(guān)系。

游速最快的金槍魚模式轉(zhuǎn)彎半徑最大，而鰻鱺科模式憑借全身大幅度彎曲展現(xiàn)出最優(yōu)的靈活性，其最小轉(zhuǎn)彎半徑僅為0.26 BL。其根本原因在于鰻鱺科模式單次擺動可產(chǎn)生約54.3°的身體轉(zhuǎn)角，側(cè)向力約為金槍魚模式的3倍；而高剛度的金槍魚模式受結(jié)構(gòu)限制，單次轉(zhuǎn)角僅為21.4°。該結(jié)果說明，采用單一游動模式的機(jī)器人往往難以兼顧快速性與靈活性。

▍快與靈，真的只能選一個嗎？

本研究通過變模態(tài)控制策略成功突破了這一固有權(quán)衡。機(jī)器魚可利用金槍魚模式實現(xiàn)高速沖刺，也可迅速切換至鰻鱺科模式完成靈巧轉(zhuǎn)向。在極限U型狹窄通道測試中，機(jī)器魚采用“金槍魚模式高速接近—鰻鱺科模式轉(zhuǎn)彎—金槍魚模式加速”的多模態(tài)策略順利通過。相比之下，單一模態(tài)機(jī)器人則易出現(xiàn)卡滯或效率嚴(yán)重下降。

野外實驗進(jìn)一步驗證，多模態(tài)切換能力是水下機(jī)器人在開闊水域與復(fù)雜狹縫環(huán)境中實現(xiàn)高效敏捷通行的關(guān)鍵。這一突破不僅可為復(fù)雜水域環(huán)境下的生態(tài)監(jiān)測、資源勘探及災(zāi)難搜救作業(yè)提供平臺支撐，而且為研發(fā)兼具長續(xù)航和高機(jī)動性的新一代水下智能裝備開辟了全新的仿生路徑。|jrswcjzb.cn。|jrsddgk.cn。|jrszbgk.cn。|djzbw.cn。

多模態(tài)機(jī)器魚的轉(zhuǎn)向與在線多模態(tài)游動

該論文的第一作者為北京大學(xué)先進(jìn)制造與機(jī)器人學(xué)院博士研究生王博和博士后李磊。北京大學(xué)先進(jìn)制造與機(jī)器人學(xué)院喻俊志教授為唯一通訊作者。合作者包括中國科學(xué)院力學(xué)研究所徐夢凡博士后、銀波副研究員，大連理工大學(xué)張捷助理研究員，北京大學(xué)工學(xué)院本科生胡楠楠，北京大學(xué)先進(jìn)制造與機(jī)器人學(xué)院碩士研究生高文卓和博士研究生莘展驊。

相關(guān)研究得到了國家自然科學(xué)基金、北京市科技新星計劃、河北省自然科學(xué)基金、國家資助博士后研究人員計劃及中國博士后科學(xué)基金等的聯(lián)合資助。