《Advanced Intelligent Systems》：A Soft Robotic Jellyfish with Decoupled Actuators for Agile 3D Locomotion
编辑推荐：
为解决软体水下机器人运动模式机械耦合严重、难以独立控制的问题，研究人员开展了解耦驱动软体仿生水母研究。该研究通过分离推进、转向与浮力模块，实现了敏捷的3D运动，最大游速达6.1 mm/s，为复杂水下探索提供了新平台。
在神秘莫测的海洋深处，传统的刚性水下机器人（AUV/ROV）虽然功能强大，但其螺旋桨推进方式往往伴随着噪音大、易扰动环境的问题，难以在珊瑚礁或水下设施等敏感复杂区域进行“温柔”的作业。受自然界中水母高效游动方式的启发，科学家们将目光投向了软体机器人（Soft Robotics）。这类机器人模仿生物体的柔软结构，能更好地适应非结构化环境。然而，现有的仿生水母机器人大多存在一个致命缺陷：运动耦合。简单来说，就是“想拐弯就得加速，想上浮就得前进”，一个动作同时触发多个运动模式，导致控制逻辑复杂，难以实现精准的悬停或原地转向。此外，传统的仿生推进方式（如形状记忆合金或介电高弹体）往往存在响应慢、推力不足的问题。因此，如何打破运动耦合的枷锁，赋予软体机器人真正的三维敏捷性，成为了该领域亟待突破的瓶颈。
针对这一挑战，发表在《Advanced Intelligent Systems》上的研究提出了一种基于功能解耦驱动架构的软体仿生水母机器人。该研究最大的创新在于“貌合神离”——它虽然模仿了水母的柔软触手形态，但在驱动机制上并未完全照搬生物体的收缩-舒张模式，而是通过模块化设计，将推进、转向和浮力控制物理分离，实现了各运动模式的独立控制，显著提升了机器人的敏捷性和控制简便性。
关键技术方法
研究团队通过多模块集成与流体动力学设计实现了机器人的解耦运动。推进模块采用气动软体触手结合被动阀（Passive Valve） 机制，利用差动阻力（Differential Drag） 原理（收缩时阀闭产生高推力，舒张时阀开降低阻力）产生净推力。转向模块采用独立的侧向水射流执行器，实现近零半径转向。浮力模块通过调节外腔室体积改变排水量，实现无需持续耗能的主动沉浮。机器人总高约100 mm，直径65 mm，采用对称六触手设计。
研究结果
2.1 解耦多功能机器人的设计与工作原理
研究团队设计了一个半球形头部外壳、主浮力腔和六条软质气动触手组成的模块化系统。推进机制的核心是触手上的单向被动阀：在动力冲程（吸气收缩）时，阀门受流体压力关闭，增大投影面积产生推力；在恢复冲程（充气舒张）时，阀门开启形成流体通道，极大降低阻力。关键在于，推进过程中的气体仅在内外腔室间循环，总排水量和质量不变，因此推进不影响浮力。转向机制由两个侧向喷嘴实现，通过喷射水流产生反作用力矩，无需前进速度即可完成原地转向。浮力控制通过向主腔室充放气改变排水体积，实现独立于推进的垂直运动。
2.2 推进模块：表征与参数化研究
通过参数优化实验，研究确定了最佳性能配置。膜厚度为2 mm时推力最大（0.0205 N），过薄易失效，过厚则能量损耗大。触手长度在40-100 mm范围内，推力随长度增加而增大，100 mm时达0.0264 N，但过软材料会导致过长触手弯曲失效。时序参数研究表明，动力冲程0.5 s、恢复冲程0.5 s是稳健的高效工作点。对比实验证明，仅含被动阀（泄漏严重）或仅含柔性执行器（刚度不足）的推力均远低于二者结合的“触手”设计（0.0276 N），验证了差动阻力机制的有效性。自由游动实验显示机器人可实现稳定直线运动。
2.3 转向模块：通过解耦水射流执行器实现高敏捷机动
转向模块完全独立于主推进触手。实验表明，激活单侧射流可在不依赖前进速度的情况下产生显著的偏航角速度。与依赖钟形罩不对称收缩的传统方法相比，该解耦设计实现了近零半径转向，且转向过程不影响深度稳定性，极大地增强了机器人在狭小空间内的机动性。
2.4 浮力模块：节能深度控制
浮力系统通过改变外腔室体积调节净浮力。实验测得，在充气量为30 mL时，机器人可在约8秒内完成从水底到水面的快速上浮。该系统最大的优势在于能量效率：一旦达到目标深度，无需持续耗能即可维持位置，这对于长期水下观测任务至关重要。
2.5 综合三维机动性演示
通过集成控制三个模块，机器人成功演示了复杂的3D运动轨迹，包括水平前进中的急转弯、螺旋上升以及垂直悬停后的定向移动。这证明了各模块在物理和功能上的真正解耦，解决了传统软体机器人“一动俱动”的控制难题。
结论与展望
本研究成功开发了一种具有解耦驱动系统的软体仿生水母机器人。其差动阻力推进机制提供了高效且可控的推力，而独立的水射流转向和变浮力系统则分别解决了敏捷水平机动和垂直定位问题。这种“分而治之”的架构显著降低了控制复杂度，使机器人能够在复杂水下环境中执行精确的3D机动任务。该工作不仅为软体水下机器人设计提供了新范式，其解耦驱动理念也对其他多自由度软体系统的开发具有重要借鉴意义。
