先进制造与机器人学院喻俊志团队提出多模态软体机器鱼平台，揭示鱼类高速高机动游动内在机理
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鱼类通过调节参与波动的身体长度形成多种游动模式，且波动区域越集中于尾部，游速越高。然而，一个长期未解的科学问题是：为何仅靠尾部摆动的金枪鱼可实现高频高速推进，而全身波动的鳗鲡科鱼类却受限？受限于生物测量手段，参与波动的身体长度这一关键因素难以直接验证，现有仿生机器鱼又多局限于单一模态。
针对这一问题，北京大学先进制造与机器人学院喻俊志教授团队在《科学进展》（Science Advances）发表题为“Adaptive multimodal swimming gaits in a reconfigurable modular soft robotic fish”的论文，提出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平台。通过调控尾部关节刚度分布，机器鱼可在同一平台上实现鳗鲡科至金枪鱼游动模式的切换，为统一研究不同游动模式机理提供实验基础。
图1. 仿生多模态机器鱼与仿生变刚度肌肉设计
金枪鱼模式在5Hz时达到最高游速1.24BL/s，而鳗鲡科模式在4Hz以上出现明显衰减。运动学分析表明，游速由尾部振幅与鱼体波传播速度共同决定：鳗鲡科模式在高频下因刚度不足导致尾部振幅迅速衰减；而金枪鱼模式依托高刚度躯干，在5Hz下仍能保持较大尾部振幅，实现与真实鱼类一致的高效波传播（波长为0.75—1.05倍体长）。结果表明，高刚度支撑下高频、大振幅与高波速的协同，是金枪鱼模式高速巡航的关键。
图2. 多模态机器鱼的游动性能与运动学分析
计算流体动力学（CFD）数值仿真显示，鳗鲡科模式产生的尾涡破碎且无序，动量耗散较大，在头部与胸鳍附近出现明显高压阻力区，削弱了尾部推进效果。相比之下，金枪鱼模式的压力增强始终集中于尾部，形成强烈、规整的涡环，能够高效推动水体向后运动。定量结果表明，金枪鱼模式下的推力随频率单调上升，而鳗鲡科模式在4Hz后明显衰减；在5Hz工况下，前者推力较后者提升142%。效率分析进一步显示，鳗鲡科模式在低频下更节能，而金枪鱼模式在高频下更具优势。
图3. 多模态机器鱼游动的水动力分析
研究揭示了游速与机动性之间的经典权衡：金枪鱼模式游速最高但转弯半径最大，而鳗鲡科模式凭借全身大幅弯曲实现最优灵活性，其最小转弯半径仅为0.26BL。该差异源于鳗鲡科模式单次摆动可产生54.3°的身体转角和约3倍于金枪鱼模式的侧向力，而高刚度金枪鱼模式单次转角仅为21.4°，结构受限明显。
通过变模态控制的策略，机器鱼成功突破这一权衡，可在金枪鱼模式下高速推进，并快速切换至鳗鲡科模式完成灵巧转向。在极限狭窄通道测试和野外实验中，多模态策略显著优于单一模态机器人，验证了其在复杂水域中实现高效、敏捷通行的优势，并为生态监测、资源勘探和应急救援等应用提供了新的仿生路径。
该论文的第一作者为北京大学先进制造与机器人学院博士研究生王博和博士后李磊。喻俊志为唯一通讯作者。合作者包括中国科学院力学研究所博士后徐梦凡、银波副研究员，大连理工大学张捷助理研究员，北京大学工学院本科生胡楠楠，北京大学先进制造与机器人学院硕士研究生高文卓和博士研究生莘展骅。
相关研究得到了国家自然科学基金、北京市科技新星计划、河北省自然科学基金、国家资助博士后研究人员计划及中国博士后科学基金等的联合资助。
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