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水下探索为扩展人类对自然的知识开辟了新视野 ， 在工业和军事领域具有巨大价值 。 深海勘探、水下电缆或管道的诊断以及人类无法进入的有核电站的近海勘探都需要它 。 商用机器人和无人潜艇是可用的 ， 但体积大且价格昂贵 ， 并且在控制方面存在问题 。 自然和动物生态学探索需要环保材料和设计 。 为了满足这些要求 ， 研究人员正在开发对自然友好的水下游泳机器人 ， 以及足够的游泳机制仿生机制已经在各个领域得到发展 。
在众多目标中 ， 射线因其推力机制而在勘探中具有优势 。 水下动物根据它们的运动有不同的推力产生技术 。 单尾鳍的摆动可用于产生推力；这被称为体尾鳍推进类型 。 体尾鳍型生物在速度和加速度方面往往具有优势 ， 但稳定性较差 ， 机动性较难 。 金枪鱼、鲨鱼、鳟鱼和鳗鱼是常见的体尾鳍型鱼类 。 相比之下 ， 射线采用中成对鳍推进 ， 因为它们使用一对用于推进的胸鳍 。
成对鳍型鱼在身体的两端使用一对鳍 ， 使其比体尾鳍型鱼具有更好的稳定性和机动性 ， 因为鳍可以独立控制 。 然而 ， 成对鳍型鱼的速度和加速度通常低于体尾鳍型鱼 。 在水下探索中 ， 稳定性和机动性比速度更重要 ， 因为目标是观察和分析环境 。 因此 ， 这项研究的重点是鳐 ， 它是一种成对鳍型鱼 。 如前所述 ， 由于射线的优势 ， 许多研究小组都试图开发射线机器人 。
开发的射线机器人和推进器使用不同的机构和执行器 ， 但都使用单个执行器进行鳍推进 。 在单个致动器驱动翅片的情况下 ， 一对弯曲致动器放置在鳍的前端进行简单的振荡 ， 然后附上一层软膜将波传递到鳍的末端 。 通过致动器的简单弯曲振荡 ， 产生波脉冲 ， 该波脉冲从头到尾穿过鳍片以产生推力 。 这种推进机制被发现比没有软膜的摆动扁平鳍片更有效 ， 可在所需方向产生推力 。 然而 ， 在这种被动波动中 ， 由于水引起的阻尼 ， 行进脉冲的幅度随着波沿鳍传播而减小 。
这会降低整体推进效率 。 此外 ， 鳍只能产生单一方向的推力 ， 这可能是向后或旋转运动的障碍 。 各种致动器 ， 如离子聚合物金属复合材料、压电材料、形状记忆合金、通过电机的肌腱驱动和气动人工肌肉 ， 广泛用于软致动器和机器人 。 智能材料用于构建小型且具有简单系统配置的软机器人 。 离子聚合物金属复合材料的受力和变形范围相对较小 ， 工作条件有限 。
压电材料具有最高的驱动速度、相对较小的变形和较高的电压 。 形状记忆合金具有高能量密度 ， 但受环境温度和热导率的影响 。 通过气动人工肌肉执行器驱动肌腱的优点是运动程度、控制带宽和驱动力很容易控制；但是 ， 机器人本体必须配备泵和电机 ， 增加了体积和重量 。 此外 ， 噪声和振动会影响海洋生态 ， 这通常被认为不适合仿生水下机器人 。 形状记忆合金辅助执行器被选为本研究的核心源 ， 因为它们在智能执行器中具有最高的能量和应力密度 ， 以及简单的系统配置 。
【水下探索，为扩展人类对自然的知识开辟了新视野】当机器人在水下游泳时 ， 频率和对周围环境的顺从性的普遍缺点被抵消了 ， 环境比空气具有更高的热导率和更低的温度 。 在这项研究中 ， 射线被选为目标获得水下勘探优势 。 进行了波浪形鳍的推进实验 ， 并根据推力研究制造了无系绳机器人的原型 。 添加盟友 ， 机器人的机动性在一项涉及用变量转动的实验中进行了测试半径 ， 这对于水下探索来说可能是一个有用的运动 。
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