自然界中的生物，经过数亿年的进化，以其独特的结构和机制向我们展示了它们惊人的生存智慧。 这些生物体的精细结构、高性能和出色的适应性不断为机器人技术的发展提供灵感，推动机器人向更高性能、更精确的操作和更大的环境适应性方向发展。 这种受自然启发的创新在软机器人领域尤为明显。
与自然界中的生物相比，软体机器人在运动和交互过程中往往表现出较差的动态性能和敏捷性，尤其是对于无束缚的昆虫规模软体机器人。 无论是高性能驱动机制、敏捷控制策略，还是协作功能的协同设计，都受到其非常有限的尺寸的严重限制，研究人员一直在努力实现更好的运动可控性和动态性能，以应对这些技术挑战。
在软体微型机器人领域，许多研究者试图提高软体机器人的运动可控性和动态性能，并开发了基于催化人工肌肉的昆虫鳞片机器人、磁性毫米波机器人、基于马拉戈尼效应的微型机器人等机器人成果，有效拓展了软体微型机器人的运动形式和能力范围遗憾的是，软体微型机器人的可控性和动态性能仍然无法与自然生物体相媲美。
不久前，华中科技大学机械工程学院吴志刚教授、丁汉院士研究团队研究人员再一次，挑战这个难题。 受罗夫甲虫快速摆动腹部、分泌物运输导管和身体结构的体鬃系统启发，结合磁感应快速改变姿势，研究团队本文提出了一种可在水上推进的快速、敏捷、不受约束的毫米级软推进器uni-sopros。
图1快速、敏捷、不受束缚的昆虫级软推进器（uni-sopros），灵感来自Rove甲虫
推进器本体长度（bl） 36 毫米，实现了 201 倍/秒体长 （BL s） 和每平方秒体长 （BL s） 8,372 倍的惊人速度。 其综合动态性能远远超过以往同规模推进器的几个数量级。
图2近日，研究成果发表在《自然通讯》杂志上，题目为“Stenus-Inspired， Swift， and Agile Untethered Insect-Scale Soft Propulsors”。 博士生柯兴兴为第一作者，博士生杨浩辰、硕士生徐福康为合著者。
接下来，让我们一起在机器人大讲堂深入探讨这一研究成果吧！
推进器的仿生和集成协同设计
经过无数轮的进化和自然选择，生物体已经发展出优雅高效的跨尺度结构，使它们在环境中具有卓越的适应性和运动学性能。 就罗夫甲虫而言，昆虫在水面上的高速移动是通过其独特的身体结构和机制实现的，使其能够有效地躲避捕食者。
灵感来自Rove甲虫的生物结构和机制研究人员设计了一种新型推进器——uni-sopros。 这种设计不仅在宏观尺度上模仿了Rove甲虫的柔韧和灵活的腹部，而且在微观和介观尺度上借鉴了它的结构特征。
在宏观尺度上，Uni-Sopros使用一种磁性材料，通过模仿甲虫的摆动腹部来实现沿主轴的运动。 使用磁操纵技术，研究人员可以操纵具有高度动态的推进器的运动，使它们能够按需产生推进力。
图3从Rove甲虫中获得系统的生物学灵感，并共同设计了软体推进器的详细表征。
在微观尺度上，研究人员观察到，Rove甲虫的腺体系统中有无数微小的传导管，用于运输表面活性剂。 受这一特征的启发，研究人员在uni-sopros中引入了类似的表面活性剂细分运输机制，通过在尾部尖端插入对齐的纤维来优化输送。
在介观尺度上，为了模拟甲虫的表面结构，研究人员在单甲虫的体表上引入了微观结构形态，以获得超疏水**，从而避免下沉并保证其在水面上的稳定性。
为了提高实时机动性，研究人员还为uni-sopros集成了一对磁性转向芯片用于快速稳定的转向控制。 此外，UNI-SOPROS还具有自然解耦的设计和操纵模式，可独立操作推进和转向控制。
为了追求推进器uni-sopros性能和功能完善的最终优化，研究团队还对相关仿生结构进行了深入的调查和特性分析。 这个过程为整个系统的协同设计提供了有价值的指导。
研究人员研究了所用磁粉和磁化膜的基本特性，建立了这些建筑材料的性能基准，并重点分析研究了磁控管尾部、驱动力和推进器uni-sopros的主表面。
在磁控尾部方面，研究人员分析了磁性粒子的含量和磁尾的大小如何影响它们的弯曲行为，进而影响燃料输送和水面脱离行为。 结果表明，高磁性颗粒含量的磁尾表现出更好的弯曲行为，有效地将燃料输送到水面，并在需要时切断燃料**。 研究人员还研究了不同姿态和磁尾的水下长度对转向行为的影响（见补充图7），发现过度浸入的磁尾会损害转向能力。 因此选择合适的磁化尾翼，考虑其磁性颗粒含量、尾部尺寸和尾部浸入长度对于提高机动性至关重要。
图4表征磁性颗粒和磁性薄膜的磁化强度和响应特性。
图5不同姿态和浸入尾部长度对其转向行为的影响。
在驱动力方面，保持必要的表面张力梯度对于马兰戈尼学院的发展至关重要。 通过精确调整输送到表面的表面活性剂的量，研究人员能够防止表面活性剂的快速扩散并保持必要的张力梯度。 通过模仿甲虫的自然机制研究人员将聚丙烯超细纤维引入人造尾尖，通过温和的马兰戈尼流动实现燃料的均匀分布。 此外，研究人员还通过比较燃料与水的直接接触和不带纤维的直接接触来验证纤维插入提高了调整局部表面张力的能力，从而增强了运动的可控性和一致性。
图6受接收传导导管的启发，纤维插入 uni-sopro 尾部的尖端。
图7没有插入纤维的磁尾燃料（表面活性剂，NOP）的释放比较。
图8表征无插入纤维的磁尾局部表面张力调节能力。
就主体表面而言，研究人员模仿了排甲虫的刚毛。 通过激光表面处理在身体表面形成超疏水微观结构形态，研究人员确保了单索普在水面上的稳定性。 同时，通过集成磁转向芯片（SC），研究人员还改进了UNI-SOPROS的实时控制，实现了快速稳定的转向控制。
图9表面疏水处理及其表征。
图10制作过程。
通过对仿生结构的综合研究和表征，并在此基础上对系统进行协同设计改进，uni-sopros螺旋桨不仅在运动学性能上接近自然界中的屋顶甲虫，而且表现出优异的敏捷行为。
推进器的运动学性能测试
uni-sopros推进器经过广泛的仿生研究并经过精心设计，不仅模仿了Rove甲虫在自然界中的优雅机动性，而且在实验测试中表现出出色的运动表现。 该推进器可以由单个三维磁场触发，以实现生物水平及以上的运动学性能。
图11运动学性能、功率优化管理和轨迹规划。
在分析uni-sopros的运动学特性时，研究人员提取了：特征尺寸 36 毫米uni-sopros的实时速度和加速度数据。 结果表明：该推进器能够在短时间内（-20 ms）快速达到-30 m s 2或8,372 bl s 2的峰值加速度，并在约250 ms后达到-725 mm s或-202 bl s的最大移动速度。
同时，在制动测试中，uni-sopros也表现出了优异的减速性能减速达到 -5,010 bl s 2。 这些测试不仅展示了Uni-Sopros的强大功能，还展示了它们在高速运动中出色的控制能力。
图12uni-sopros在规模效应表征和制动测试中的详细速度和加速度曲线。
此外，研究人员通过实验研究了外部负载对uni-sopros性能的影响。 测试结果表明，即使在承受 1在5倍于自身重量（-12 mg）的载荷下，uni-sopros的性能也与空载相似，只是峰值速度从-230 mm s降低到-200 mm s，加速度略有降低。 这一结果证明了Uni-SOPROS在实际应用中具有良好的负载能力和稳定性。
图13uni-sopros负载能力的表征。
为了深入了解uni-sopros的运动学特性，研究人员还研究了一系列不同尺寸的uni-sopros，并观察了它们在运动时的尺度效应。 观测结果显示，随着尺寸的增加，峰值速度呈单调下降趋势，尤其是在较小的尺寸范围内。 这一发现为研究人员优化不同尺度的uni-sopros的性能和设计提供了有价值的指导。
图14各种uni-sopros的设计和生产参数。
图15在每种尺寸的水平姿态下，uni-sopros在峰值速度下的模拟流速映射。
图16尺寸分析。
已有研究表明，改进的输送策略可以有效减缓推进速度的衰减，进而延长推进过程中预期轨迹的维持时间。 基于此，研究人员还对有和没有光纤插件的uni-sopros进行了比较分析，并对同一磁触发器下的10个单向循环推进进行了比较测试。 测试结果表明，uni-sopros插入的光纤能够显著减缓速度衰减，并在测试过程中保持几乎恒定的速度趋势。 受甲虫腺系统中传导管结构的启发，这种创新设计通过精确调节流体输送，最大限度地减少了速度下降，并简化了连续触发期间的轨迹规划。
图17采用数值模拟比较了不同策略下的表面活性剂释放量。
最后，特征大小为 54 mm uni-sopros 利用可变的外部磁场来实现复杂的轨迹规划。 如图 3f 和补充视频 5 所示，uni-sopros 能够准确地执行具有多个急转弯点的鸽子图案轨迹，展示了其根据需要快速减速、转向和加速的能力。
得益于精确的燃油释放机制和对启动和制动器的精确控制，再加上灵活的转向能力，uni-sopros推进器表现出出色的轨迹规划性能。 特殊尺寸为 54 毫米 uni-sopros 能够使用可变的外部磁场进行预编程，以执行具有多个急转弯点的复杂鸽子图案轨迹，展示其根据需要快速减速、转向和加速的能力。
经过以上实验测试，uni-sopros螺旋桨不仅在仿生结构上得到了深入研究，而且在运动性能方面也得到了实验的严格验证，表现出优异的动态性能和精确的控制能力。
参考文章：