北大機器智能實驗室這條機器魚會變身，0.5秒從鰻魚變金槍魚

自然界中的魚類是天生的游泳健將。從復雜環境中的靈活穿梭，到捕食瞬間的“爆發式”沖刺，它們似乎總能完美適應環境。在自然界中，魚類展現出高度適應環境的運動能力：它們既能在復雜地形中靈活穿梭，也能在捕食和逃逸時實現爆發式高速推進。

鰻魚高機動性 (High maneuverability)

金槍魚高速沖刺 (High-speed）

▍魚類游動的秘密：身體“用多長”很重要

這種能力來源于魚類對身體波動方式的精細調控。根據身體參與波動的長度比例不同，魚類演化出了鰻鱺科模式、亞鲹科模式、鲹科模式和金槍魚模式4種BCF 游動方式。隨著參與擺動的身體區域逐漸向尾部集中，魚類的游動速度和呈現出顯著提升。其中，鰻鱺類魚通過全身波動獲得極高的機動性，但游動速度較低；而金槍魚類則通過增強軀干剛度、將擺動集中于尾柄和尾鰭區域，在高速條件下仍能保持卓越的推進效率。

← 靈活性更高 (More Maneuverable) | 速度更高 (Higher Speed)

長期以來，一個核心科學問題尚未得到充分闡釋：為何僅依靠尾部擺動的金槍魚能夠實現高頻高速推進，而全身波動的鰻鱺科魚類卻受到限制？

除形態與結構因素外，參與波動的身體長度（即肌肉招募比例）被認為是關鍵但長期被忽視的變量。由于生物肌電測量的侵入性限制，相關假說難以直接驗證。仿生機器魚為逆向研究魚類游動機理提供了新途徑，但現有機器魚研究往往陷入“專精化”的困境：造出來模仿鰻魚的機器魚，靈活但跑不快；模仿金槍魚的機器魚，速度快卻轉不了彎。每種設計都自成一體，硬件不同，難以直接比較。

針對這一挑戰，喻俊志教授團隊受魚類分節肌肉結構啟發，在國際頂級期刊《Science Advances》上發表了題為“Adaptive multimodal swimming gaits in a reconfigurable modular soft robotic fish”的研究論文。

該研究開發了一種基于張拉整體結構與仿生變剛度肌肉的多模態機器魚平臺。其核心是團隊自主研發的仿生變剛度肌肉，基于層狀阻塞原理實現關節剛度的快速、大幅調節。通過對尾部關節剛度分布的協同控制，機器魚可在同一平臺上實現從高機動的“鰻鱺科模式”到高速沖刺的“金槍魚模式”的自由切換，為系統揭示不同游動模式的生物力學機制提供了統一的實驗平臺。

多模態的機器魚，能夠模仿四種不同的游動模態

▍誕生：一條能“切換骨骼”的機器魚

受魚類肌節（肌肉分節）結構和肌肉剛度調節機制的啟發，研究團隊創造性地設計了一條多模態軟體機器魚。它的身體核心是一個由四個張拉整體關節串聯而成的“脊柱”。每個關節的奧秘在于其兩側的四條仿生干擾層肌肉（BJLM）。

多模態軟機器魚的設計

這種肌肉由多層特殊的彈性層疊加而成，層與層之間可以自由滑動。關鍵在于，當研究人員向這些肌肉內部施加負壓（抽真空）時，多層結構會被緊緊壓合，層間摩擦力劇增，整條肌肉會瞬間提升超過46倍剛度。

▍一條魚，四種游法

得益于這種兼具大剛度調節范圍與快速響應能力的“剛柔并濟”特性，機器魚的身體力學屬性得以實現可編程調控。通過邏輯控制四個尾部關節的軟硬分布，機器魚能夠在同一平臺上實現不同游動模態的快速切換：當所有關節處于低剛度狀態時，整體表現為柔性主導的“鰻鱺模式”；而當近體側關節被鎖定、僅保留尾端關節擺動時，機器魚則迅速轉變為適于高速巡航的“金槍魚模式”。

Mode1 仿鰻鱺模態 Anguilliform-like [0000]

Mode4 仿金槍魚模態 Thunniform-like [1110]

量化數據也顯示，我們的機器魚運動模式與真實魚類的觀察結果高度一致，證明了我們的平臺成功復現了自然界中的四種游動步態。

多模態機器魚的游動

▍性能驗證：速度與靈活的“雙重突破”

擁有了這個高效的實驗平臺，研究團隊得以首次在同一個身體上，精確量化不同游動策略的性能差異。

在經過深入研究之后，研究團隊發現機器魚的游速隨著鎖定關節數量的增加而持續提高。金槍魚模式在5 Hz時達到最大游速1.24倍體長/秒（BL/s），而鰻鱺科模式在4 Hz以上出現明顯性能衰減。

運動學分析表明，機器魚游速由尾部振幅與魚體波傳播速度共同決定。鰻鱺科模式在高頻下因剛度不足導致尾部振幅快速衰減；相比之下，金槍魚模式依托高剛度軀干，在5 Hz下仍能維持較大尾部振幅，支持魚體波的高效傳播（波長約為0.75–1.05倍體長，與真實魚類高度一致）。

這表明，在高剛度支撐下，高頻、大振幅與高波速的協同作用是金槍魚模式實現高速巡航的關鍵。

多模態機器魚的運動學分析

計算流體動力學（CFD）數值仿真顯示，鰻鱺科模式產生的尾渦破碎且無序，動量耗散較大，在頭部與胸鰭附近出現明顯高壓阻力區，削弱了尾部推進效果。相比之下，金槍魚模式的壓力增強始終集中于尾部，形成強烈、規整的渦環，能夠高效推動水體向后運動。

定量結果表明，金槍魚模式下的推力隨頻率單調上升，而鰻鱺科模式在4 Hz后明顯衰減；在5 Hz工況下，前者推力較后者提升142%。效率分析進一步顯示，鰻鱺科模式在低頻下更節能，而金槍魚模式在高頻下更具優勢。

多模態機器魚游動的水動力分析

同時，該研究也揭示了快速性與機動性之間的經典權衡關系。

游速最快的金槍魚模式轉彎半徑最大，而鰻鱺科模式憑借全身大幅度彎曲展現出最優的靈活性，其最小轉彎半徑僅為0.26 BL。其根本原因在于鰻鱺科模式單次擺動可產生約54.3°的身體轉角，側向力約為金槍魚模式的3倍；而高剛度的金槍魚模式受結構限制，單次轉角僅為21.4°。該結果說明，采用單一游動模式的機器人往往難以兼顧快速性與靈活性。

▍快與靈，真的只能選一個嗎？

本研究通過變模態控制策略成功突破了這一固有權衡。機器魚可利用金槍魚模式實現高速沖刺，也可迅速切換至鰻鱺科模式完成靈巧轉向。在極限U型狹窄通道測試中，機器魚采用“金槍魚模式高速接近—鰻鱺科模式轉彎—金槍魚模式加速”的多模態策略順利通過。相比之下，單一模態機器人則易出現卡滯或效率嚴重下降。

野外實驗進一步驗證，多模態切換能力是水下機器人在開闊水域與復雜狹縫環境中實現高效敏捷通行的關鍵。這一突破不僅可為復雜水域環境下的生態監測、資源勘探及災難搜救作業提供平臺支撐，而且為研發兼具長續航和高機動性的新一代水下智能裝備開辟了全新的仿生路徑。

多模態機器魚的轉向與在線多模態游動

該論文的第一作者為北京大學先進制造與機器人學院博士研究生王博和博士后李磊。北京大學先進制造與機器人學院喻俊志教授為唯一通訊作者。合作者包括中國科學院力學研究所徐夢凡博士后、銀波副研究員，大連理工大學張捷助理研究員，北京大學工學院本科生胡楠楠，北京大學先進制造與機器人學院碩士研究生高文卓和博士研究生莘展驊。

相關研究得到了國家自然科學基金、北京市科技新星計劃、河北省自然科學基金、國家資助博士后研究人員計劃及中國博士后科學基金等的聯合資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.aea1299