基于MFC的各向异性柔性仿生鱼尾研究

本项目针对仿生鱼在军事和经济等领域的巨大潜在应用价值，探索由MFC智能材料驱动的由正交布等三维编织各向异性材料构成的新型柔性仿生鱼尾。它将充分利用MFC材料质轻、柔软、应力/变大、响应快和各向异性的特点，克服其他驱动方式体积大、有噪音、结构复杂、驱动力小等缺点，有望使仿生鱼尾结构简单、动作丰富。研究内容包括：通过理论分析和数值仿真建立大振幅下鱼尾的非线性动力学模型；分析鱼尾三维结构尺寸和各个运动参数与推进力、速度和效率之间的关系，由此进行仿生鱼尾结构优化设计；MFC单元材料动态和准静态衰变规律；MFC与各向异性材料构成的主轴方向不同的复合材料在多种激励下的响应特性；MFC激励下复合材料三维主动静变形及流场边界条件下的振动行为；指定运动规律约束下MFC最简多点激励算法；多模式驱动控制器研制以及实验研究。由此建立利用MFC构建柔性仿生鱼尾的理论和方法，从而探索该智能材料在仿生领域的应用。

仿生机器鱼具有良好的机动性、隐蔽性和低噪声等特点，在民用和军用的水下航行器领域具有极其广阔的应用前景。目前，国外研究人员提出并研究了多种不同结构特征的鱼尾，为其在军用或民用水下航行器中的应用奠定了基础。我国的柔性仿生鱼尾的研究工作才刚刚起步，加大柔性仿生鱼尾关键技术的研究，对发展仿生鱼技术具有重要意义。.区别于电磁电机驱动的多关节仿生鱼，本课题以MFC为柔性驱动材料，以振动应用为基础，分别以摆动、扭转以及波动运动为推进模式，开展了柔性仿生鱼尾的驱动机理、性能仿真、复合材料制备和实验研究，并对摆动推进模式和扭转推进模式的仿生鱼尾进行了应用实验，成功实现了微型鱼的快速运动。.本课题主要研究内容及成果如下：.1. 提出了一种以MFC及各向异性材料为基体，以摆动模式为推进模式的仿鲮鱼尾，研究了复合材料性能对鱼尾摆动幅值的影响。制备出了符合要求的两种玻璃纤维增强型复合材料，成功实现了仿鲮鱼尾的推动应用，最大推力为12.5 mN，最快前进速度约为40 mm/s，最快后退速度约为20 mm/s。.2. 提出了一种采用扭转推进模式的变截面尾鳍柔性仿生鱼尾，利用解析与数值方法研究了尾鳍的振动特性，分析了柔性变截面尾鳍的固有频率与结构尺寸之间的关系，系统地研究了鱼尾在空气和水中的扭转特性。通过分析鱼尾在一个运动周期内的水动力性能，探明了扭动模式鱼尾产生推力的机理。最终成功实现了扭转模式的柔性仿生鱼尾的应用，其最快游速为320 mm/s。.3. 提出了一种采用波动推进模式的仿金枪鱼尾的设计方案。以兰杰文振子的放大原理为基础设计了变截面鱼尾结构；根据波从波密媒介向波疏媒介传播无半波损失的特点，实现了由多种不同性能复合材料构成鱼尾的行波波动运动；依据阻尼吸收能量方法，探讨了材料的不同阻尼系数对鱼尾的波动运动的影响，仿真实现了基于振动原理的仿金枪鱼尾的波动运动。.4. 针对MFC的高驱动电压与柔性仿生鱼尾低频工作的特点，研制了一款带直流偏置的低频高压驱动电源，为利用MFC驱动的微型机器鱼的运动提供了重要试验平台支撑。.本课题采用MFC以及各向异性材料构造出柔性仿生鱼尾，并运用多种振动模态实现了鱼尾的摆动、波动运动，特别是扭转运动，鱼尾具有电磁电机驱动所不具备的结构简单、质量轻、运动模式多样等优点，为仿生鱼的研究探索出一条可行路径。