基于形状记忆合金的三维柔性仿生鱼鳍研究

鱼游具有高效、高机动性、对环境扰动小的特点。鱼鳍可以有效提高鱼游的稳定性、机动性和游动效率。本项目提出一种基于SMA驱动的三维柔性仿生鱼鳍，使用两对SMA薄板作为SMA鳍条，实现其弯曲和偏摆二维运动，将之放射性安置在可以弯曲的SMA鱼鳍基部，并覆以弹性乳胶，控制SMA弯曲得到能实现多种姿态的柔性鱼鳍。对活鱼胸鳍进行形态学和运动学研究，设计仿生柔性鱼鳍，控制SMA实现鱼鳍的自由、展开、卷曲、弯曲和波动五种基本姿态。安置在仿生机器鱼上以实现机器鱼的悬停、制动、沉浮、转向等机动动作。本项目研究具有重要意义：（1）可以利用仿生鱼鳍进行实验对已有的鱼鳍的实验流体力学和计算流体力学结果进行验证；（2）研究更加适合机器鱼控制的鱼鳍基本形态和基本动作；（3）提高机器鱼游动效率、机动性和稳定性，扩展仿生机器鱼在军事侦察、资源探索、生物研究中的应用。

鱼鳍的运动能提高鱼的稳定性、机动性和效率以及可以消除或减弱鱼类游动过程中产生的失稳等问题。在本项目中，我们设计了活鱼胸鳍的姿态获取实验装置，采用实验生物学的方法对鱼鳍的形态学、运动学进行了详细研究，获得鱼鳍运动的基本姿态；设计了内嵌SMA丝的柔性驱动器并建立其动态模型，在此基础上完成了结构简单的仿生三维运动鱼鳍机构设计;通过有限元分析和流体力学仿真的方法对SMA鳍条进行响应特性和流体力学仿真研究；建立了柔性胸鳍鳍条的运动学模型并进行运动控制算法研究，对SMA三维运动柔性胸鳍进行水下实验研究，获得了鱼类胸鳍的各种运动对鱼类运动所产生的影响。