近期，哈尔滨工业大学刘英想教授团队针对柔性薄板的水面振动致流现象开展了深入研究，提出了一种基于振动致流的水面驱动方案，并研制了微小型水面运动机器人，验证了这一新型水面驱动方案在微小型水面机器人中的可行性及应用潜力，相关成果以”Vibration-Induced-Flow Mechanism and Its Application in Water Surface Robot”为题发表在Research上。
Citation:
Dehong Wang, Shijing Zhang, Jing Li, Haoxuan He, Weishan Chen,
Junkao Liu, Jie Zhao, Jie Deng, Yingxiang Liu. Vibration-Induced-Flow Mechanism and Its Application in Water Surface Robot. Research. 2024; 7: 0449. DOI:10.34133/research.0449
研究背景
在自然环境中，振动是生物的一种重要运动生成手段。很多微小型生物采用振动的方式与环境产生交互，通过激发具有特定结构特征的运动器官产生高频振动（如翅、腿或鳍等），进而实现飞行、奔跑、游动等多种不同运动形式。相关仿生原理启发了多种基于振动的驱动方案及相关机器人研究，比如扑翼飞行机器人、地面爬行机器人等。在水域环境中，一些昆虫的水面运动利用了基于柔性薄板的水面驱动模式。在当前的研究中，已有部分采用薄板低频行波驱动方案的研究，但缺少对于一般形式的薄板振动模态及其与流体的交互规律的探究。因此，揭示典型薄板的水面振动致流机理，有助于深入理解小型昆虫等水面振翅游动的基本原理，并可为微小型水面机器人的研发提供一种新思路。
研究进展
在该项工作中，刘英想团队针对水面薄板的振动致流现象开展了详细的研究，揭示了柔性薄板发生不同振动变形时在水面的振动致流机理，并据此研发了微小型水面机器人，验证了该机理作为水面驱动策略的可行性和有效性。
首先，详细分析了柔性薄板的不同典型边、角等结构在水面振动时激发的流场形态及流场生成基本机理。通过实验及仿真的方式，探究了柔性薄板在不同振动激励下的不同变形情况与水面流体的交互作用，揭示了薄板变形对流场产生的吸引及排斥等基本规律（图1）。
图1 薄板边、角变形对流场的影响规律
其次，以非对称流场实现水面驱动为出发点，分别从薄板的结构特点以及激励方式两个方面分析了非对称水面流场的生成及控制方式。明确了不同薄板形状、振动激励位置以及激励频率等基本因素对于流场形态的影响规律，其中薄板形状与激励位置将直接决定流场的对称性，而振动频率则可以通过改变薄板振型进一步改变流场的形态。对于不同的薄板振型，不同边、角结构所激发的流场之间发生相互抑制、融合，从而生成整个流场（图2）。
图2 非对称流场的生成及控制方式
随后，采用偏心轮电机作为机器人振动激励源，开展了电机激励下薄板振动致流的流场研究。分析了不同激励源数量及偏置位置激发的水面流场特点，并对比了不同振动激励源产生流场形态的差异。振动电机激发的流场特征以向外的射流为主，并且流场的主射流方向随电机旋转方向的改变而发生变化。在此基础上，分别基于单、双激励源，提出了采用薄板水面振动致流原理实现水面多自由度驱动的基本方式及控制方法，为实现机器人的快速灵活运动奠定了基础（图3）。
图3 基于集成激励源的驱动方式及控制策略
最后，研制了采用单激励源及双激励源方案的两种水面运动机器人，验证了所提出水面驱动及控制方案的可行性和有效性。所研发的机器人系统实现了供电、控制及通信功能的集成，且具备了对机器人的远程无线控制能力。其中，双激励源机器人由驱动部分与控制部分组成，样机尺寸为120 mm×80 mm×52 mm，质量约为21 g；当双激励源共同激励时，该机器人可实现直线运动，且在不同频率激励下具备两种不同的运动模式，其最高直线运动速度可达227 mm/s；在单侧激励源激励时，机器人能够产生原地旋转运动，旋转运动速度约为6.1 rad/s（图4）。
图4 双激励源水面机器人的结构设计
在此基础上，进一步集成了图像传感模块并开展了机器人的户外运动测试实验，证明了所研发微小型水面机器人开展环境监测等应用的潜力；此外，该机器人在缓速流淌的松花江面上实现了稳定的逆流前进运动，表现出了良好的逆流运动能力（图5）。
图5 双激励源水面机器人户外运动实验
未来展望
该项研究揭示了柔性薄板水面振动激发流场的一般规律，建立了基于柔性薄板振动致流的水面驱动方法及控制策略。水面机器人特性实验有力地证明了振动致流机理在水面环境中实现快速、灵活驱动的可行性，为未来水域机器人的设计提供一种新的思路。在开放水域的外场实验中成功实现了在实际环境中的图像传感等功能，为所研制微小型水面机器人的实际应用打下了良好的基础。在后续研究中，随着机器人运动性能的进一步提升以及更加丰富的传感及功能模块的集成，该机器人将在水域环境中的侦察、监测等多种任务中表现出更加广阔的应用前景。
作者简介
刘英想，工学博士，哈尔滨工业大学机电工程学院/机器人技术与系统全国重点实验室教授、博士生导师，哈工大青年科学家工作室负责人，国家杰青、国家优青、全国优博、加州大学伯克利分校国家公派访问学者。主要研究方向为压电驱动理论与技术、仿生机器人理论与技术；出版专著2部，发表NC、AS、RESEARCH、IEEE TIE、IEEE TRO、IEEE TMECH、MSSP等国际权威期刊论文200余篇（IEEE汇刊论文70余篇），获授权发明专利120余项，获省部级科技奖励、国际/国内学术奖励10余项。任IEEE TIE、IEEE TRO、JFR等8个国际/国内期刊编委，是中国机械工程学会机器人分会委员会委员、中国人工智能学会智能机器人专业委员会委员。
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