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金枪鱼尾鳍游动模式助力无人潜航器性能突破
作者：系统管理员
发布日期：2025-04-08
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近年来，无人潜航器（UUV）在海洋科研、军事探测及工业维护等领域应用日益广泛，但其运动性能与空中无人机相比仍存在显著差距。为突破这一技术瓶颈，美国马里兰州大学一个科研团队以金枪鱼尾鳍为仿生原型，研发新型机械尾鳍推进系统，旨在提升UUV的机动性与效率，推动水下探索能力的革新。 仿生设计破解传统推进局限 传统UUV多采用螺旋桨推进，但其突出的机械结构破坏流线型设计，运行噪音易干扰生态或暴露行踪，且难以兼顾长续航与高机动性。研究团队从生物进化中汲取灵感，发现金枪鱼等鱼类通过动态调节尾鳍刚度和三维运动，实现了高效静音的游动模式。基于此，团队设计出配备多压腔结构的机械尾鳍，通过模拟鱼尾的刚度分布与柔性形变，显著提升推进效率。实验表明，仿生尾鳍的推进效率可接近生物游泳者的90%，远超螺旋桨的70%。 技术突破与优化成果 设计与运动学分析 (a) 无人潜航器（UUV）概念设计 三自由度尾鳍推进器位于航行器尾部末端。在测试中，运动由放置在油槽上方的球形并联操纵器生成。实验对刚性尾鳍和柔性尾鳍均进行了测试，尺寸参数均包含在设计中。 (b) 推进器三维运动学示例及坐标轴定义 图示为三维推进器运动学示例，并定义全局坐标系（x–y–z轴）与局部坐标系（x’–y’–z’轴）。 (c) 两种运动学的二维投影及参数定义 图中展示两种不同运动学的二维投影示例，并标注运动学参数。投影包含尾鳍后缘中心点轨迹，以及尾鳍后缘在固定时间间隔内的位置分布。 刚性矩形尾鳍最优三维运动学分析 (a) 最优尾鳍运动学的三维呈现 展示最优运动学的三维动态过程，时间序列按逆时针方向演进。 (b) 最优运动学的二维投影分解 将最优运动学分解为4个特征阶段的二维投影，时间序列标记为阶段I至IV。 (c) 最优运动学参数定义与性能指标 定义最优运动学的关键参数，并列出其产生的x方向作用力与效率。 (d) 尾鳍受力分布的无量纲化分析 量化执行最优运动时尾鳍所受的x方向力、法向力（x’）及切向力（y’）。力值以目标力为基准无量纲化，时间以运动周期为基准无量纲化。 (e) 尾缘特征点的法向速度分布 呈现尾鳍两边缘及中心点的法向速度（以平均尖端速度为基准无量纲化），各颜色标记点与图(b)中对应位置一致。 (f) 流场特征可视化 最优运动学产生的流场特征示意图。 研究团队提出“三自由度尾鳍驱动”方案，通过球形并联操纵器（SPM）实现尾鳍的三维运动（50°锥角范围），突破传统二维运动学的限制。研究团队还采用多压腔结构模拟金枪鱼尾鳍的刚度分布，结合柔性形变提升推进效率。为确定最优运动参数，团队采用数据驱动优化方法，结合实时流体力学实验，组合数量级达10?种，通过四步优化策略确定最佳方案。优化结果显示，新型推进器在转向任务中，机动性较传统二维系统提升49%，同时保持精准的力控能力，可满足低速检修、精确定位等复杂任务需求。 多领域应用前景广阔 当前，UUV已应用于极地冰架监测、海底管道检测、海洋生态研究及军事排雷等高危任务。仿生尾鳍技术的突破将进一步拓展其应用场景： 环境监测：静音特性减少对海洋生物的干扰，助力生态研究； 工业维护：高机动性支持水下设施精细检修，降低运维成本； 国防安全：隐蔽推进模式提升军事侦察与排雷任务的成功率； 深海探索：高效动力系统延长航程，推动未知海域探测。 研发进展与未来规划 目前，机械尾鳍原型已进入建造阶段，计划于本年度内在马里兰大学流体实验室完成水洞测试。整机预计2-3年内面世，并在南马里兰州自主技术实验室开展全面验证。研究团队表示，该技术将推动仿生UUV迈向新阶段，为海洋资源开发、环境保护及国家安全提供关键技术支撑。 此项研究标志着水下机器人领域的重要进展，未来有望缩小水下与空中无人机的技术代差，开启高效、智能的海洋探索新时代。 论文信息：Cecilia Huertas-Cerdeira et al, A 3-DOF caudal fin for precise maneuvering of thunniform-inspired unmanned underwater vehicles, Scientific Reports (2024). DOI: 10.1038/s41598-024-67798-w |
