[据大众科学网站2011年9月15日报道]海洋研究、海中航行、海床测绘、目标追踪等行为均需要依赖声音来进行正确定位，声音在目前仍然是水下传输信息的最佳媒介。

受到逆戟鲸耳朵的启发，来自美国斯坦福大学的科学家Kilic正在研发一种独特的水下传声器，该传声器既能够听到最安静的声音，也能够听到最吵闹的声音，甚至可以在水下6英里、压力是水面1000倍的深度下工作。

一些能够在深海中游弋的鲸鱼，如逆戟鲸，能够改变自身内耳的压力从而和周围环境相适应，这种能力使逆戟鲸在水下听的更加真切。

科学家们想要研发的水下传声器能够实现同样的功能。

该水下传声器的传感器中有三层硅材料薄膜，每层薄膜的厚度都是人类发丝直径的百分之一，薄膜上有数千个微孔，水能够在这些微孔中通过。

随着传感器工作深度越深，流进薄膜内的水也越多，在平衡内外压力的同时也使传感器对于外界声音的探测更为敏感。

然而，在解决了一个问题的同时，一个新的问题接踵而至。

当接触到声波的时候，硅材料薄膜会产生十分微小的位移，尤其在深海的时候现象更为明显，这是由于水的不易压缩性造成的。

海洋中最安静的声音能使薄膜产生0.00001纳米的位移，这相当于原子直径的万分之一。

由于产生的位移过于微小，该研究方案似乎走进了死胡同。

然而有方法证明利用激光能够准确测量到薄膜产生的位移。

在科学家制造出的水下传声器样机中，一条可分支的光纤电缆被引入进来：其中一分支可以发射激光，另外一分支则是光学探测器。

激光对薄膜进行照射，薄膜将激光反射到光学探测器上，这就对声音实现了探测的目的（具体实现原理见上图）。

水下传声器能探测到160分贝以内的声音，这意味着从图书馆内的窃窃私语到60英尺外TNT炸药的隆隆爆破，这些声音利用水下传声器都可以完全无损的探测到。

在低频端，水下传声器能够探测到地壳运动的声音；而在高频端，它能够探测到水分子撞击传感器的声音。

仿生船舶魅力无限目前世界上最快的船艇其速度也赶不上大多鱼类的游速，鱼儿行动速度之所以快，原因是多种多样的。

鱼儿都有流线型的“身材”，皮肤表面非常光滑，这使得它们受到的摩擦阻力非常小。

所以现今生产的高速船大都具有流线型光滑的外表。

另外，海豚之所以游得快，还和其有特殊的皮肤结构有关。

物理学表明，水接触坚硬的东西，水流则会产生混乱现象，会增大水的阻力；相反，若水接触的是柔软且具有极微细不平的表面时，则会消除水流混乱现象，从而减少水的阻力。

海豚皮肤表面就比较柔软且具有弹性，人们模仿海豚的皮肤构造，用橡胶制成了人造海豚皮，装在潜水艇上，使湍流减少了50%，从而大大提高了潜艇的航行速度。

德国研究新型船舶仿生涂层出处：大公报编辑：国际船舶网发布时间：2010-5-7 08:32德国波恩大学近日发表公报说，德国科研人员发现了槐叶萍「超级疏水性」的奥秘。

如果给船体刷上具有类似疏水性的仿生涂层，可大大降低船只行进过程中与水的摩擦，从而节省燃油。

槐叶萍是一种浮水性水生植物。

这种植物极不易被水沾湿。

把它浸入水中，再取出，上面挂的水珠马上就会全部滴落。

更准确地说，它在水下根本就没有被真正浸湿。

在水下时其叶片表层会形成极薄的一层空气膜，从而避免叶片与水直接接触。

材料学家称其为「超级疏水性」。

波恩大学植物多样性研究所等机构的研究人员发现，槐叶萍的表面有许多丛生的放射状微茸毛，而这些茸毛的尖端十分亲水。

入水后，这种植物能够将水分子锁定在茸毛尖端，令尖端到叶面的空气层得到有效保护。

研究人员认为，效仿槐叶萍表面结构制造新型涂层将会有广阔的应用前景。

以船运为例，目前船只的驱动能有一半以上被船体与水的摩擦消耗掉了。

如果能通过特殊涂层在船体表面形成空气膜，船与水摩擦而造成能耗则能降低10%，因而可以大量节省燃油。

此外，这一技术还能用于制造速干浴衣等方面。

这一成果发表于最新一期《先进材料》上。

据资料介绍，槐叶苹科（Salvinia natans）是一种多年生浮水性的水生蕨类草本植物，喜生长在温暖、无污染的静水域上。

根茎细长，其每节上长出3片叶子，轮生，2枚浮水叶，排成二列类似槐叶而得名。

别名：槐叶苹、蜈蚣萍、槐叶苹、山椒藻。

摘要近年来仿生技术在水下机器人上的应用已经成为水下机器人的重要研究方向之一。

本文介绍了哈尔滨工程大学研制的“仿生-Ⅰ”号水下机器人。

该机器人以蓝鳍金枪鱼为模本,长2.4m,前体固定,后体(约1/3体长)为具有3个节点的摆动装置,采用月牙形尾鳍。

水动力计算和水池实验表明,仿鱼推进和操纵方式比传统的桨舵具有高效性和高机动性。

0、引言21世纪是海洋开发的世纪,水下机器人在海洋环境研究、海洋资源探测和开发等民用领域和海洋军事方面具有广阔的应用前景和巨大的潜在价值,吸引了人们更多的注意力。

鱼类的游动方式具有高速、高效、灵活、低噪等特点[1,2],其游动和控制姿态的能力是任何目前装备传统的操纵与推进系统的潜器所无法比拟的,将其应用于水下机器人,将为水下机器人的研究和发展提供新的起点和更为广阔的空间。

近年来仿生水下机器人已经成为水下机器人的重要研究方向之一。

上世纪九十年代以来,随着仿生学、流体力学、机器人学的进步,计算机、传感器和智能控制技术的快速发展,以及新型材料的不断涌现,使水下机器人像鱼类那样在水中遨游已经不再是梦想。

美国MIT的CharlieⅠ、Robo TunalⅡ、Robot Pike[3];美国Draper实验室的VCUUV[4];日本国家海洋研究中心的UPF-2001、PF-700、PF-550[5];日本东京工业大学的机器海豚;日本东海大学的仿黑鲈机器鱼;中国北京航空航天大学的仿生机器鳗鱼、小型实验机器鱼和SPC;中科院自动化研究所的机器鱼系列“游龙”F1~F5等等,都是仿生技术在水下机器人上较为成功的应用。

另外,日本,加拿大等国的一些研究机构也在研究仿生水下机器人。

哈尔滨工程大学从2000年开始着手进行仿生水下机器人的研究,经过3年多的努力,先后完成了对仿金枪鱼尾推进系统的水动力性能的理论研究和分析、初步建立了机器人的仿真模型,并于2002年完成了以蓝鳍金枪鱼为模型的仿生水下机器人原理样机的设计、加工、装配和调试。

经过循环水槽和水池实验,掌握了其综合性能参数。

该机器人将作为微小型水下无人探测器基础技术研究的实验平台,在配以智能控制、通讯、导航、目标探测与识别、智能规划等相关技术后,将能完成传统的水下机器人难以承担的各种复杂任务。

1、仿生水下机器人结构仿生水下机器人原理样机“仿生-Ⅰ”号,以蓝鳍金枪鱼为蓝本,长2.4米,配有月牙形尾鳍和一对联动胸鳍,其外形如图1所示。

壳体用玻璃钢制成,分为三部分,头部和尾部为非水密部分,中体则为耐压舱段。

在机器人头部可以加装光纤陀螺和深度计,以实现闭环控制。

中部的耐压舱提供了70kg的储备浮力,可装载电池和其他设备。

尾部为具有三个节点的摆动机构,约占总长的1/3,其中前两个节点通过齿轮实现联动,控制尾柄的摆动,并通过包裹在外面的蒙皮形成整个鱼体的流线型。

最后一个结点则用来控制尾鳍的运动。

这种结构与金枪鱼的游动方式相适应,研究表明,金枪鱼在以常态高速游动时,躯体的前三分之二几乎没有摆动和变形,后三分之一则带动尾鳍以常频摆动,尾鳍接近于刚性,前进中躯体的横移极小[6]。

机器人采用月牙形尾鳍,尾鳍和胸鳍均采用NACA0018翼型。

躯体中部的背鳍和胸鳍可起到减摇作用。

仿生水下机器人内部结构如图2所示,内置三台伺服电机。

其中,两台驱动摆尾推进机构,其一控制尾柄的摆幅、频率,其二控制尾鳍的摆幅、频率,以及尾鳍和尾柄间的相位差,可通过调整电机的转速和转向,实现各种不同的配合,使尾部像鱼类那样摆动。

同时,如果配合光纤陀螺的反馈信号,就可达到直航和回转的目的。

第三台伺服电机用以驱动胸鳍,通过给胸鳍不同的攻角,使鱼体上浮或下潜。

配合深度计,可控制机器人的深度。

通过这种配置,就可实现机器人在一定深度以一定航速直航或回转。

该机器人还具有一定的内部空间和储备浮力,可用于安装各种水下探测设备。

当设备较多时,可以加长中体以增加容积和浮力。

为了增加仿生水下机器人长时间航行的稳定性和可靠性,经过一段时间的实验,在参考原设计的基础上,并结合对实验数据的分析,对机器人内部传动机构进行了改造,用蜗轮蜗杆传动代替了原来的光杠丝杠传动,改造后的机器人如图3所示。

采用一台电机驱动尾柄,而尾鳍则通过连接它和尾柄的弹簧片以一定的相位差随尾柄摆动。

改造后机器人体内的有效空间进一步增大。

为了仿生水下机器人体内传动装置安装和调试的方便,在设计阶段对躯体中部耐压舱段采用了向上揭盖的方式,这给机器人的水密带来了隐患。

通过在壳体上下接触面增加密封胶条,用紧定螺钉压紧,并在外部填充防水胶的办法,较好地解决了这个问题。

而尾部的贯穿件处采用聚四氟乙烯作为填充物做滑动密封,胸鳍则采用较成熟的动密封装置。

2、仿生水下机器人实验由于仿生水下机器人尚处于实验阶段,故用电缆提供外接电源,并通过信号缆进行数据交换。

为适应将来海上调试的需要,电缆和信号缆长为100米,采用485协议进行通讯,发送控制信号,接收反馈信息。

初步的实验以掌握机器人的性能为主要目标,未安装光纤陀螺、深度计等传感器,使用手操的方式。

首先,在循环水槽(7×1.7×1.5m)中进行了仿生水下机器人的配重、调平和水密测试。

接着,为考察整个系统性能,在水槽内进行了长时间的运行,机械传动部分和电子设备均状态良好。

然后,通过改变尾鳍和尾柄的摆幅、频率以及它们间的相位差,在系泊状态下粗略地测量了不同运动参数下尾鳍所产生的推力。

最后,在各种流速下对不同配合进行了顶流实验,以掌握较好的配合来指导水池实验。

水槽实验较好的验证了仿鱼尾推进系统的有效性。

由于机器人相对尺寸较大,在循环水槽中实验必然伴随着严重的阻塞效应,故只能定性的了解其性能。

在循环水槽实验的基础上,在船模试验水池(108×7×4m)中对仿生水下机器人进行了直航实验。

直航实验时,为减轻长缆对游动的影响,将缆固定在车架上,车架随机器人同步运动。

在不同的运动参数下,测量了其航速,结果如图4所示。

实验中,仿生水下机器人在尾鳍摆动频率为1.33赫兹时航速已达1.2米/秒。

如果进一步提高尾鳍摆动频率,仍有较大的提速空间。

实验中,配重浮球所产生的阻力,以及电缆和信号缆所产生的拉力对机器人的航速都有较大影响。

3、尾鳍流体动力性能研究对于鱼类尾鳍流体动力性能的研究,早在上世纪七十年代就开始了。

几十年来,研究者采用了多种方法进行估算,取得了很多成果[7~8],加深了人类对鱼尾推进机理的理解。

在仿生水下机器人建造之前,哈尔滨工程大学就对仿鱼尾推进系统的流体动力性能进行了理论研究[9]。

计算将金枪鱼尾的运动简化为一边摆动一边以匀速前进的月牙型尾翼,见图5,建立了数学模型,利用边界元方法计算分析了其水动力性能,见图6,7。