登頂T-RO！清華仿生“海龜”機器人，實現水陸動態環境全自主適應

隨著機器人技術的發展，仿生機器人領域前沿成果正不斷涌現，為我們帶來驚喜。近日，清華大學的這只仿生機器“海龜”無疑又讓人眼前一亮。

——它不僅身體靈活、能在水里游得飛快，而且水陸通吃，陸地行走也不在話下，堪稱仿生機器人界的六邊形戰士。

近日，清華大學水下軟體機器人實驗室在國際頂級期刊IEEE Transactions on Robotics上發表了一項突破性研究，推出了一款名為“IBATR”的智能仿生兩棲龜形機器人。它不僅外形神似海龜，還能以 99.17% 的準確率精準識別地形、自動切換步態，把 “水陸全能” 做到了新高度。

該成果以“An Intelligent Bionic Amphibious Turtle Robot with Visual-Tactile Fusion for Dynamic Terrain Adaptation”為題。清華大學24級碩士生劉昂為論文第一作者，曲鈞天副教授和復旦大學張壯研究員為共同通訊作者。

IBATR：智能仿生兩棲龜形機器人的創新設計

海洋覆蓋了地球表面約71%的面積，不僅是生命的搖籃，也蘊藏著豐富的資源，并在全球氣候調節中扮演著關鍵角色。當前，海洋機器人已成為科研與資源勘探的重要工具。然而，在水陸交界的復雜海岸帶，松軟泥沙與多變地形使得依賴螺旋槳的傳統水下機器人行動艱難。

為了提升水下機器人在復雜水陸動態環境中的適應能力，研究團隊選擇以海龜為仿生對象。

海龜扁平體形賦予出色的穩定性，強壯的鰭狀肢提供了強大的推進與負載能力，而高效運動模式則保障了長時間的活動耐力。在深入研究后，團隊不僅復刻了海龜的外形，更深入借鑒其運動機理，打造出一款兼具輕量化、高機動性與強穩定性的智能機器人平臺。

智能仿生兩棲海龜機器人：硬件配置與核心組件

從結構上看，IBATR 的機身采用扁平設計。中央龜殼由圓柱形防水腔和碳纖維骨架構成，碳纖維材料既保證了結構強度，又最大限度減輕了重量，讓機器人總質量僅為 10.48 公斤。

機器人的核心驅動部件是四條三自由度仿生鰭肢，前鰭長 25 厘米，后鰭長 16 厘米，復刻了海龜前肢推進、后肢轉向的功能分工。

鰭肢的骨架由銅棒和碳纖維板制成，外層包裹著柔軟的 Ecoflex 硅膠，既能貼合復雜地形，又能在堅硬表面提供足夠摩擦力。

為了讓鰭肢“感知”環境，研究團隊在鰭肢與地面接觸時的最大壓力位置嵌入了壓力傳感器。這些傳感器能精準測量地形的硬度、摩擦系數等物理特性。同時，機器人頭部搭載了攝像頭，用于捕捉前方地形的視覺信息，形成“視覺+觸覺”的雙感知系統。

IBATR的電子架構

在控制系統方面，IBATR搭載了樹莓派4B主控制器和STM32F103C8T6伺服控制板，能同時控制12個防水伺服電機，響應間隔1.5毫秒。配備九軸IMU、UWB定位模塊及應變片式壓力傳感器，實現運動狀態感知與實時數據傳輸。

智能感知與自適應步態

這款機器人最亮眼的創新，在于能自主識別地形并切換運動模式。

在復雜環境中，單一的感知方式往往存在局限。視覺感知容易受光照、水流影響，難以辨別視覺相似但力學特性差異巨大的地形；觸覺感知雖精準，但需要物理接觸，無法提前預判前方環境。為了解決這一問題，研究團隊構建了雙模態卷積神經網絡（CNN），將視覺和觸覺信息深度融合。

地形識別框架

機器人的攝像頭拍攝地形圖像，提取紋理、顏色等視覺特征；壓力傳感器采集鰭肢與地面接觸時的動態壓力信號，捕捉地形的物理特性。這些數據被輸入輕量級CNN模型，經過訓練后，該模型能識別混凝土、礫石、草地、沙地和水體五種典型地形，準確率高達 99.17%。相比傳統的單一模態感知，這種雙模態融合方案抗干擾能力更強，即使在波浪擾動或光線不足的環境中，也能精準判斷地形類型。

識別出地形后，IBATR會通過有限狀態機自動切換最優步態。研究團隊通過大量實驗，為不同地形匹配了專屬運動模式。

在草地等硬質地表，采用步行步態，前后鰭異步運動，兼顧速度與效率；

在沙地等可變形地形，切換為對稱步態，減少鰭肢下陷，降低能耗；

在礫石等顆粒狀地形，選用跳躍步態，避免鰭肢與礫石接觸不良；

在水中則采用游泳步態，前鰭以15°最佳攻角周期性振蕩產生推力，后鰭負責轉向。

優化運動策略：從自然步態到數學優化

除了自主切換步態，IBATR還通過智能算法優化運動參數，實現“高速+低耗”平衡。

研究團隊采用貝葉斯優化算法，結合反向傳播（BP）神經網絡，對步態周期和擺線參數進行全局優化。傳統機器人的步態參數往往通過人工調試確定，難以兼顧速度、能耗等多個目標。而貝葉斯優化算法能通過少量實驗數據構建代理模型，快速找到最優參數組合。

運動步態的優化與生成

研究團隊采集了 50 組實際運動數據，訓練 BP 神經網絡預測功耗，再結合 Webots 仿真環境中的速度數據，以 “最大化速度 - 最小化能耗” 為目標進行優化。最終得到的最優參數讓機器人在保持高機動性的同時，能耗顯著降低。

實驗數據顯示，這種優化后的步態效果顯著：在草地地形，IBATR的平均速度可達0.67米/秒；在沙地地形，其運輸成本（COT）降至1.72，比傳統步態效率提升25.9%。與單一步態相比，自適應步態讓機器人的運動效率提升19.1%，速度提高9.2%，實現了“因地制宜”的智能運動。

水陸自如：從實驗室到自然環境的驗證

為了驗證 IBATR 的實戰能力，研究團隊進行了多場景測試，從實驗室的模擬環境到深圳大鵬半島的真實海岸，全方位檢驗這款機器人的性能。

在室內測試中，IBATR成功完成了U形和8字形路徑跟蹤任務，橫向誤差均不超過0.21米；在國際標準游泳池中，水下姿態跟蹤的穩態誤差控制在5°以內，展現出優異的運動精度。在室外多地形測試中，機器人能輕松跨越14厘米高的障礙物，相當于自身身高的82.4%，在礫石、沙地等復雜地形上穿梭自如。

機器人雙模態運動現場驗證

最關鍵的實地測試在深圳大鵬半島的海岸帶進行。這里有開闊水域、沙灘、礫石灘等多種地形，還有波浪擾動等自然干擾。測試中，IBATR從陸地出發，自主識別地形并切換步態，順利進入海洋；在波浪中游泳時，姿態角變化僅20°，展現出強大的抗干擾能力；從海洋返回陸地時，無縫切換為步行步態，整個過程流暢自然。測試數據顯示，步態切換讓機器人的功耗顯著降低，驗證了其在真實環境中的實用性。

與現有仿生機器人相比，IBATR 的優勢十分突出。

在能完成海陸過渡的機器人中，它的速度最快；在兩棲機器人中，它的陸地運動能耗最低。更重要的是，其 “感知 - 決策 - 執行” 的閉環系統，實現了從地形識別到步態自適應的全自主運行，這在同類產品中并不多見。

結語與未來

BATR 的成功研發，為海洋探索提供了全新工具。

這款機器人在海洋勘探、環境監測、災害響應等領域具有廣泛的應用前景：在近海海域，它可以搭載水質傳感器，自主巡航監測污染物濃度；在水下考古現場，它能在淺灘與水域之間靈活穿梭，拍攝文物影像，避免傳統設備對遺址的破壞；在海嘯、風暴潮等災害發生后，它可以快速進入受災的海岸帶，搜尋幸存者或評估災情，為救援提供支持。

未來，研究團隊計劃進一步提升 IBATR 的性能：優化路徑跟蹤算法，增強其在大規模動態場景中的適應能力；擴充視覺 - 觸覺傳感數據集，提高復雜環境下的地形識別精度；增加更多任務模塊，如水下采樣、聲吶探測等，拓展應用場景。

論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11219361?sessionid=