Swim-and-Breach at Palm Scale: A Rudder-Steered Two-Propeller Underwater Robot Platform with Differential-Thrust Pitch Control

大自然早已精通了在不同世界之间穿梭的艺术。鱼类不仅仅是在游泳，它们还会跃起。为了躲避捕食者、越过瀑布或捕捉空中的猎物，鱼必须向上翘起鼻尖，通过瞬间爆发的力量进行加速，并保持那个陡峭的角度，直到冲破水面。这种动作需要力量的微妙平衡：即瞬间产生巨大推力的能力、控制离开水面时的角度的精准度，以及在面对混乱的水面湍流时保持路径笔直的稳定性。几十年来，工程师们制造出了能够快速游泳或模仿鱼类优雅摆动的潜水机器人，但很少有机器人能成功复制这种特定的“离水”动作。大多数水下机器人的设计初衷是留在水下，而那些尝试跳跃的机器人往往缺乏足够的控制力，容易发生倾斜或完全无法跃出水面。

科罗拉多大学博尔德分校的一个研究小组现在制造出了一种微型机器人，解决了这个问题，创造出一种能够像鱼一样在水下游泳、跃入空中并流畅地落回水中的机器。该设备仅有掌心大小，长度为6索米（65毫米），重量仅为34克，但它执行的一系列复杂动作挑战了小型水下机器人的极限。通过垂直堆叠两个螺旋桨并增加一个尾舵，研究团队创建了一个平台，它不仅能以每秒13.9倍体长的速度游泳，还能在不到一秒的时间内将鼻尖抬升至垂直位置。当它发射时，可以越过1.6倍体长高的障碍物，并在水平方向移动3.7倍体长后落回水中。在有流水流动的自然溪流中，该机器人甚至跳得更高，达到了2.8倍体长的高度，证明了其设计即使在现实世界中混乱、不可预测的条件下依然有效。

这款机器人成功的秘诀在于它如何模仿鱼类的物理特性，而非完全复制其形状。研究人员没有使用难以控制突然爆发速度的摆动尾巴，而是选择了螺旋桨。他们在防水的3D打印机身内部，将两个小型高速电机上下安装在一起。通过让顶部的螺旋桨比底部的旋转得更快，或者反之亦然，机器人可以极其精准地控制鼻尖的上翘或下压。这种差分推力就像一个杠杆，使机器人能够快速改变角度。为了防止机器人在移动时发生侧向旋转，他们在两个螺旋桨之间增加了一个小尾舵。这个尾舵就像船上的舵一样，引导机器人向左或向右转向，以保持直线路径。机身本身被设计成流线型的翼型，这是一种借鉴自航空设计的形状，可以让水流平滑地流过表面。计算机模拟显示，与同等尺寸的简单方块相比，这种形状将阻力降低了五倍，使机器人移动得更快且更节能。

研究人员首先在实验室水箱中测试了机器人，在那里他们可以使用高速摄像机和传感器测量每一次运动。他们编写程序让机器人遵循一系列指令：直线游泳、将鼻尖抬升到特定角度、向水面加速，然后跃起。机器人的内置计算机利用一个测量旋转和重力的传感器不断检查其方位，每秒数百次地调整两个螺旋桨的速度以保持航向。在这些测试中，即使研究人员通过轻敲机器人来模拟干扰，它也能在一秒内纠正位置，保持稳定的俯仰角。当机器人准备好跳跃时，它会将鼻尖抬升至65度，加速并冲破水面。如果没有尾舵，机器人在离开水面时经常会发生侧转，从而失去方向。在使用了尾舵后，它能保持完美对齐，笔直地向上向前冲刺。

随后，团队将机器人从实验室带到了博尔德溪（Boulder Creek），这是一个有流动水流和湍流的自然溪流。在这里，挑战变得大得多。流动的海水试图将机器人冲离航道，且水面波涛汹涌。尽管存在这些条件，机器人仍成功完成了跳跃。它逆流而上，翘起头部，并把自己从水中弹射出去，达到了2.8倍体长的高度。当在这些户外测试中关闭尾舵时，机器人无法维持路径，会出现剧烈的偏航，并落在远离预定目标的地方。这证实了尾舵对于稳定性至关重要，不仅是在平静的水箱中，在动态变化的真实河流环境中也是如此。机器人能够完成这一整套动作序列——游泳、抬头、跃起和返回——展示了小型水下机器物的全新灵活性。

这项工作表明，小型机器人很快就能用于检查目前无法进入的区域。许多水下系统，如管道、大坝和被淹没的结构，都存在诸如堰或水池间干涸间隙之类的障碍，这些障碍会阻碍机器人的前进。一种既能水下游泳又能跃过这些障碍物的机器，可以穿越复杂的环境，在以前无法进入的地方检查基础设施或监测水质。研究人员指出，目前的原型机仍通过一根细电缆连接着电源，但他们所展示的原理为未来的无绳版本提供了蓝图。通过改进电池尺寸和螺旋桨设计，一个完全自主的版本有朝一日可以像受鱼类启发那样，轻松地在各个水池之间跳跃，探索溪流和工业系统中的隐秘角落。