文章核心观点 - 北京大学喻俊志教授团队受鱼类肌节结构启发，研发了一种基于张拉整体结构与仿生变刚度肌肉的多模态软体机器鱼，该机器鱼通过调节尾部关节的刚度分布，可在同一平台上实现从高机动性的鳗鲡模式到高速度的金枪鱼模式等多种游动模态的自由切换，从而突破了水下机器人快速性与灵活性难以兼顾的传统权衡[6][8][11][16][28] 鱼类游动模式与仿生原理 - 自然界鱼类根据身体参与波动的长度比例不同，演化出四种BCF游动方式，从全身波动的鳗鲡科模式到仅尾部摆动的金枪鱼模式，游动速度显著提升[3] - 金枪鱼模式通过增强躯干刚度、将摆动集中于尾柄和尾鳍区域，在高速条件下保持高推进效率，而鳗鲡类鱼通过全身波动获得高机动性但速度较低[3] - 一个核心科学问题是为何仅靠尾部摆动的金枪鱼能实现高频高速推进，而全身波动的鳗鲡科鱼类受限，参与波动的身体长度（肌肉招募比例）是关键但长期被忽视的变量[4] 多模态机器鱼的技术创新 - 机器鱼的核心是团队自主研发的仿生变刚度肌肉，基于层状阻塞原理，通过施加负压可使肌肉刚度瞬间提升超过46倍，实现了关节刚度的快速、大幅调节[8][12] - 机器鱼的“脊柱”由四个张拉整体关节串联而成，通过逻辑控制四个尾部关节的软硬分布，可编程调控身体力学属性[11][16] - 当所有关节处于低刚度时，表现为柔性主导的“鳗鲡模式”；当近体侧关节被锁定、仅尾端关节摆动时，则转变为适于高速的“金枪鱼模式”[16] 机器鱼性能验证与量化分析 - 机器鱼游速随着锁定关节数量的增加而持续提高，金枪鱼模式在5 Hz时达到最大游速1.24倍体长/秒（BL/s），而鳗鲡科模式在4 Hz以上出现明显性能衰减[21] - 运动学分析表明，机器鱼游速由尾部振幅与鱼体波传播速度共同决定，金枪鱼模式在5 Hz下仍能维持较大尾部振幅，支持高效传播（波长约0.75–1.05倍体长）[21] - CFD仿真显示，金枪鱼模式推力随频率单调上升，在5 Hz工况下，其推力较鳗鲡科模式提升142%，且金枪鱼模式在高频下效率更具优势[23] - 研究揭示了快速性与机动性的权衡关系：金枪鱼模式游速最快但转弯半径最大，鳗鲡科模式灵活性最优，其最小转弯半径仅为0.26 BL，单次身体转角约54.3°，侧向力约为金枪鱼模式的3倍[26] 多模态策略的应用与突破 - 通过变模态控制策略，机器鱼可利用金枪鱼模式高速冲刺，并迅速切换至鳗鲡科模式完成灵巧转向，突破了单一模式机器人难以兼顾快速性与灵活性的固有权衡[27][28] - 在极限U型狭窄通道测试中，机器鱼采用“金枪鱼模式高速接近—鳗鲡科模式转弯—金枪鱼模式加速”的多模态策略顺利通过，而单一模态机器人易出现卡滞或效率严重下降[28] - 野外实验验证，多模态切换能力是水下机器人在开阔水域与复杂狭缝环境中实现高效敏捷通行的关键，为新一代兼具长续航和高机动性的水下智能装备开辟了新路径[28]