群众好！今天来了解一篇对于效法蝠鲼的软拍浮机器东说念主的征询——《Spontaneous snapping-induced jet flows for fast, maneuverable surface and underwater soft flapping swimmer》发表于《SCIENCE ADVANCES》。海洋生物的拍浮格式一直是科学家们缠绵软拍浮机器东说念主的灵感泉源，可其中的挑战也不少。就像之前效法蝠鲼缠绵的软拍浮机器东说念主，双稳态结构耗能又复杂。这篇征询，提议了单稳态扑翼软拍浮者，它会如那处置厚爱，带来哪些惊喜进展呢？让咱们一说念走进这个神奇的软拍浮宇宙！

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一、征询布景与挑战

（一）生物启发的软拍浮机器东说念主

海洋中领有各样拍浮格式的动物，如蝠鲼等，为软拍浮机器东说念主的缠绵提供了丰富灵感。蝠鲼的胸鳍畅通神态私有，其背腹扁平的躯壳和宽大的胸鳍所展现的mobuliform拍浮格式，具备快速、高效和高活泼性的秉性。这种生物特征眩惑了科研东说念主员尽力于效法其拍浮步地来缠绵软拍浮机器东说念主，但咫尺要已毕这么的机器东说念主仍濒临诸多挑战。

（二）现存征询的局限

近期对于蝠鲼状软拍浮机器东说念主的征询，虽尝试使用软材料和扑翼机制，并聚合复杂的能源单位和限度模块来效法mobuliform拍浮，但宗旨尚未达成。举例，之前征询的双稳态扑翼软拍浮者，虽在一定进度上已毕了较高的拍浮速率（3.74体长/秒）和效用（1Hz驱动频率下），但仍存在诸多问题。双稳态结构在能量运用上效用较低，其缠绵和限度复杂，尤其是在周期性畅通和挪动方面。如在双稳态扑翼拍浮者中，已毕一个扑翼畅通周期需要两个驱动输入（底部驱动层充气-放气，顶部驱动层充气-放气）和四步驱动序列，这不仅加多了分量，还放手了速率和能量效用。而且，此类软拍浮机器东说念主在无结构水下环境中的活泼性，特殊是在不同深度拍浮和抗碰撞才略方面，仍有待探索。此外，以往征询中软拍浮机器东说念主的波形畅通对推力产生、效用和拍浮速率的影响尚未取得充分征询。

二、单稳态扑翼软拍浮者的转变缠绵

（一）缠绵组成

为克服上述挑战，本次征询提议一种新的软拍浮机器东说念主缠绵，其具有单稳态扑翼。该软拍浮者由软气动鬈曲致动器当作躯壳（含单层顶部空气通说念）和一双单稳态翅膀组成。单稳态翅膀的制作经过是先将两个平行柔性丝带结尾粘合变成双稳态预弯框架翅膀，然后通过一定时长的热处理开释预应力，使其改革为单稳态。同期，还在软拍浮者上附加薄膜和软膨大鳍以增强推动力。

（二）驱动活动上风

单稳态翅膀与双稳态翅膀在驱动活动上有显耀区别。在双稳态情况下，翅膀充气后向下扑动，放气后仍保握凸体式态（踏实景况II），需特殊驱动能力归附运业绩态；而单稳态翅膀放气时，会在弹性归附力作用下自愿进取扑动回到运行踏实景况，无需特殊能量输入。这种自愿的归附活动带来诸多上风，它极地面简化了缠绵、驱动和限度经过，仅需限度一个驱动输入，便于已毕无缆缠绵，缩小了拍浮者分量，升迁了能量效用，还能加快峰值驱动频率，使翼尖已毕方形波形畅通，产生比双稳态和其他扑翼拍浮机器东说念主更高的推力和功率。举例，该软拍浮者在1.67Hz的低驱动频率下，速率可达6.8体长/秒，比双稳态缠绵快近两倍，且能耗裁减1.6倍，速率以致进步了一些快速拍浮的动物，如大泰西鲑鱼。

三、双稳态-单稳态改革的要害征询

（一）相图分析

在55°C下，不同翼展长度的翅膀经过不同热处理技能后的双稳态到单稳态改革的相图。不错看出，对于给定的翼展长度，跟着热处理技能加多，翅膀巩固从双稳态改革为单稳态，且翼展较小的翅膀由于储存的弹性应变能较高，需要更长技能来开释能量完成改革。不同翼展长度翅膀在热处理前后的体式对比可直不雅不雅察到这一变化。

（二）力-位移弧线与能量景不雅弧线

以160mm翼展的翅膀为例，在未热处理（T=0min）时，其力-位移弧线流泄漏负斜率和负力，能量景不雅弧线有两个局部能量最小值，标明此时翅膀为双稳态。当热处理技能加多到约20min时，力-位移弧线接近零力线，对应相图中的改革区域，此时能量景不雅弧线仅在d=0处有一个局部最小值，标明翅膀已改革为单稳态。进一步加多热处理技能，力-位移弧线保握在零力线上方，考证了单稳态的踏实性。这一征询为缠绵快速单稳态扑翼机器东说念主提供了进攻率领，即给与处于改革区域临界景况的热处理技能，可使单稳态翅膀在驱动时开释最大能量，已毕最快拍浮速率。

四、高速高效拍浮性能的深度认识

（一）拍浮步态与畅通轨迹

以翼展160mm、热处理技能20min的单稳态扑翼机器东说念主为例，在驱动频率为1.25Hz、驱动压力为61kPa时，其在一个扑翼周期中的畅通经过了了可见。充气时，躯壳向下鬈曲，驱动翅膀逆时针旋转并向下扑动，在短技能（21ms）内快速加快完成向下扑动产生上前推力，随后放气时速即自愿进取扑动进一步推动。翅膀顶端的畅通轨迹呈高度区别称的三维“8”字形，而躯壳则进行二维鬈曲畅通，与双稳态软拍浮者的对称“8”字形轨迹变成赫然对比。这种区别称畅通使得翼尖速率呈区别称方形波形，而非双稳态和其他雷同机器东说念主的正弦波形，从而增强了推力。

（二）参数征询与性能评估

通过对不同翼展长度和驱动频率的单稳态扑翼机器东说念主进行参数征询发现，在157mm翼展和1.67Hz驱动频率下，软拍浮者可达到约156.4mm/s（约6.8BL/s）的峰值平均速率，此时产生最高推力。同期，其能量效用通过斯特劳哈尔数（St）评估，系数157mm翼展的拍浮者在不同频率下的St值均在当然给与的高功率效用窄界限内（0.2

（三）推力产期望制的揭示

为长远证据高速高效的原因，聚合PIV测量和CFD模拟征询其流体能源学。在PIV履行中，拍浮者基于限定速率和翼长的雷诺数为6500，CFD模拟使用雷诺数1500，两者斥逐高度一致。软拍浮者在向下扑动捕捉和进取扑动归附时皆会产生一双反向旋转涡旋，这些涡旋偶极子和射流是推力产生的要害。向下扑动时，正前缘涡（LEV）与上一周期产生的正后缘涡（TEV）并吞，变成更强的TEV偶极子和射流；进取扑动时则无此涡旋并吞机制，因此向下扑动产生的射流更强。

此外，在翼尖和尾缘还会变成高动量射流，以及在翼下方产生LEV指引的快速流动，这些共同作用使得软拍浮者巧合保握高速和活泼性。与鱼和蝠鲼的推力产期望制比较，软拍浮者的翼尖畅通产生的LEV在翼尖更卓越，且其尾迹由两个正负涡对（2P）组成，不同于很多鱼和鳐类拍浮者的反向冯・卡门涡街（2S），2P尾迹在流向和横向皆能产生精深的力，有助于保管高速率和活泼性。

五、踏实导航才略的全面展示

（一）多模态水下贱泳

为使软拍浮者能在水下贱泳，在其腹部中心附加一个小分量（如0.68g的小钢球，约为自尊的30%），不影响其扑动捕捉畅通。通过简便退换驱动频率，软拍浮者可已毕多模态水下和水面拍浮。在较高频率（如1.43Hz）时，能从水底快速游向水面并过渡到水面拍浮格式；裁减频率（如1.25Hz）可在上涨到一定深度后过渡到该深度的巡航格式；进一步裁减频率（如1.11Hz）可裁减巡航深度；当频率为1Hz时，能在水底爬行。

其拍浮轨迹和水平位移随技能变化了了展示了不同频率下的拍浮格式，且平均水下贱泳速率随频率加多而加多，与名义拍浮雷同。

同期，加多附加剧量与裁减频率对多模态拍浮格式有相同效果，而且在高频率（1.43Hz）下，即使佩带与自尊绝顶的负载，软拍浮者仍能快速从水底游向水面。

（二）抵制物课程导航

软拍浮者凭借多模态拍浮才略，可在简便垂直水下抵制物课程中通过退换驱动频率已毕灵活导航。该抵制物课程由两个上泡沫板和一个下金属板组成。从水底登程，在较高频率（如1.43Hz）下上涨，裁减频率（如1Hz）下跌，再升迁频率（如1.43Hz）上涨，通过“S”形拍浮轨迹避让抵制物。其上涨和下跌是通过均衡分量、浮力和升力已毕的，在扑动捕捉时，由于气室充气，浮力加多，且向下扑动射流强于进取扑动射流，导致升力加多，从云尔毕频率依赖的升力限度。

导航经过中攻角随技能的变化，当频率为1.43Hz时，浮力和升力之和进步重力，拍浮者上涨；裁减频率时，升力减小，拍浮者因重力下跌。此外，软拍浮者在与抵制物碰撞时进展出高抗碰撞性，如鄙人降经过中以较低频率（0.67Hz）碰撞上抵制物时，会局促下千里后归附；上涨经过中碰撞下抵制物时，能通过屡次与抵制物互相作用不竭上涨。同期，在外部扰动（如用塑料棒搅拌水）下，软拍浮者也能在局促下千里后速即归附水面拍浮，展示了高拍浮踏实性。

六、无缆软拍浮者的倡导考证与性能

（一）缠绵与集成

临了，征询东说念主员探索了无缆单稳态软扑翼拍浮者的倡导缠绵。在软拍浮者后方集成了包含电路板、电板良善泵的泡沫货色。气泵由12-Vpp电压驱动，限度电路输出驱动信号。为升迁操作效用，对气动软鬈曲致动器、翼展长度和丝带宽度进行了符合增大，这导致驱动频率裁减至0.77Hz（由于充气和放气技能蔓延）。

（二）户外拍浮进展

在户外当然水池的测试中，无缆软拍浮者尽管受到风、水流等烦躁，但仍进展出细腻的踏实性和敏捷性。其拍浮轨迹流露，在约30秒内可游进步1米，在0.77Hz驱动频率下速率达1.18体长/秒，运载本钱为12.9。速率随频率加多而单调加多，运载本钱随频率裁减而裁减。与其他无缆软拍浮机器东说念主比较，该无缆软拍浮者在速率和运载本钱方面具有显然上风，其最高平均速率（1Hz时为1.35BL/s）进步大巨额无缆软拍浮机器东说念主，且运载本钱远低于其他电动无缆软拍浮机器东说念主，如基于介电弹性体（CoT=339.7）和液压放大自缔造静电致动器（CoT=15.9）的机器东说念主，这体现了单稳态缠绵在气动软拍浮者中节能的上风。

七、征询归来与臆测

（一）效用归来

本征询告成展示了运用单稳态扑翼软拍浮者的自愿捕捉不踏实性，已毕了多项前所未有的才略，包括在幼稚耗下达到创记录的高相对拍浮速率、多模态水面和水下贱泳格式、在无结构水下环境中的高活泼性和抗碰撞性，以及在外部扰动下的踏实拍浮才略。其背后的机制是双涡对尾迹和分叉捕捉-归附射流产生的高推力，以及频率依赖的升力使拍浮者能通过退换驱动频率在不同深度拍浮和穿越抵制物，与抵制物的自适合互相作用增强了抗碰撞性。

（二）翌日臆测

这项使命为缠绵快速、高效和活泼性强的水下机器东说念主系统劝诱了新阶梯，单稳态缠绵在多种结构的快速有劲周期性畅通生成方面具有简化缠绵、驱动和限度的后劲，有望无为应用于空气、陆地和水下的快速节能畅通或软机器东说念主的多格式应用。但是，咫尺无缆缠绵仍存在局限性，特殊是在骨子应用中，需要进一步优化缠绵和系统集成，以已毕更紧凑、高效的无缆拍浮者，自高如深海探索（生态系统、水下监视和检测）和水面及水下环境监测（水质、混浊水温和环境变化）等复杂环境中的应用需求。

八、一说念来作念作念题吧

1、以下哪种海洋动物的拍浮格式因其快速、高效和高活泼性而对软拍浮机器东说念主缠绵具有特殊眩惑力？

A. 海豚

B. 蝠鲼

C. 章鱼

D. 海龟

2、单稳态扑翼软拍浮者比较双稳态缠绵的主要上风不包括以下哪点？

A. 仅需单输入驱动即可已毕周期性扑动

B. 能已毕更高的拍浮速率

C. 不需要弹性归附力

D. 能耗更低

3、字据相图，对于翼展较小的翅膀，其从双稳态改革为单稳态需要怎样的要求？

A. 更短的热处理技能

B. 更长的热处理技能

C. 更高的热处理温度

D. 更低的热处理温度

4、单稳态软扑翼拍浮者已毕高速高效拍浮性能的要害机制不包括以下哪项？

A. 对称的正弦波形畅通

B. 单稳态捕捉不踏实性指引的推力产生

C. 涡旋偶极子和射流的变成

D. 频率依赖的升力

5、软拍浮者在水下抵制物课程中已毕上涨和下跌的主要旨趣是通过退换什么？

A. 附加剧量的大小

B. 驱动频率

C. 翅膀的体式

D. 气室的大小

6、无缆单稳态软扑翼拍浮者与其他无缆软拍浮机器东说念主比较，其上风主要体当今以下哪个方面？

A. 更高的驱动电压

B. 更大的尺寸

C. 更好的速率和运载本钱进展

D. 更复杂的限度模块

参考文件：

Haitao Qing et al. Spontaneous snapping-induced jet flows for fastkaiyun体育官方网站全站入口, maneuverable surface and underwater soft flapping swimmer. Sci. Adv. 10, eadq4222(2024).