自然界中的水生生物因其生活环境和捕食方式的差异，演化出了多种多样的游动策略。在这些策略中，头足类的脉冲喷射游动具有更高的相对游泳速度及运动效率，同时具备静音、结构简单、适应环境广等特点。人工模仿这种高效推进方式的主要挑战在于：目前尚缺乏一种能像生物肌肉一样在水下同时实现高驱动应变、高驱动力和高驱动速度的人工肌肉，因而无法有效驱动封闭性柔性腔室快速喷射水体，完成高效推进。

图1 水下仿生喷射软体机器人的设计

针对这一问题，北京大学刘珂研究员团队近日在《Advanced Materials》上发表题为“Scalable jet swimmer driven by pulsatile artificial muscle and soft chamber buckling”的研究论文，提出了一种实现水下仿生喷射的可缩放机器人设计方案（图1）。该机器人基于智能材料与智能结构的协同设计，结合了可在水下实现高效驱动的导电绳结人工肌肉，以及受折纸结构启发的软性屈曲壳体。这种折纸软壳可以积蓄人工肌肉的牵引力，并在其达到一定阈值时，触发屈曲极限，将人工肌肉的收缩速率放大三倍以上，从而快速收缩软壳，实现高效喷水。该软壳利用倒模工艺由弹性硅胶制备，可在较大的尺寸范围内缩放而不影响其驱动性能。在这一驱动机制下，机器人在小尺寸时最高可实现每秒0.6个体长的游泳速度。通过放大腔体并集成控制模块与电池，该机器人还能实现无缆水下推进，单次喷射循环游动距离达15厘米。此外，该系统展现出优异的鲁棒性，即使在人工肌肉部分受损的情况下仍能保持正常的推进能力。通过增加由形状记忆合金制成的尾舵，机器人还能够在红外光控制下实现转向游动。

图2 折纸软壳的设计与喷水推进原理

图3 水下仿生喷射软体机器人的定向无缆游动

这项研究融合了智能材料与智能结构，通过其协同设计，实现了能在水下进行高效仿生脉冲喷射的软体机器人。该设计方案为水下软体机器人设计提供了全新的思路，展示了软体结构静音驱动的巨大潜力。未来，通过在该类喷射软体机器人上集成更完善的功能模块和控制系统，有望实现其在复杂水下环境的自主巡航和探测。

该项研究成果获得了国家重点研发计划智能机器人专项和国家自然科学基金的资助。北京大学博士生陈雯慧为第一作者，刘珂研究员为通讯作者，朱驰研究员为共同作者。