郭 健，潘彬彬，崔維成，3，胡勝兵，韓摯陽(yáng)

（1.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306；2.上海海洋大學(xué)深淵科學(xué)技術(shù)研究中心（上海深淵科學(xué)工程技術(shù)研究中心），上海 201306；3.西湖大學(xué)工學(xué)院，杭州 310024）

0 引 言

21 世紀(jì)是海洋的時(shí)代，同時(shí)海洋裝備呈現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展趨勢(shì)。海洋中90%的水深超過(guò)1000 m，但遺憾的是，人類對(duì)水深在1000 m 以上的海洋知之甚少。深海是海洋中充滿神秘和未知的區(qū)域，是全球油氣、礦物以及生物資源的最主要集結(jié)區(qū)[1]，是“智慧海洋”的核心區(qū)。近年來(lái)，隨著人工智能、巨量數(shù)據(jù)集合、網(wǎng)絡(luò)云等新興技術(shù)在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用，智慧海洋成為了實(shí)施海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的又一角逐“高地”[2]。智慧海洋工程走向深海，在現(xiàn)代化的海洋裝備和海洋活動(dòng)中深度融合先進(jìn)的信息技術(shù)和智能技術(shù)，不斷推進(jìn)深海海域的透明化，這對(duì)了解海洋、認(rèn)識(shí)海洋和服務(wù)海洋具有重要意義。

智能材料是20世紀(jì)90年代受生物啟發(fā)或模仿生物特性而開(kāi)發(fā)出的一類集感知、驅(qū)動(dòng)及控制為一體的類似生物智能特征的新型功能材料，是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ纳婕岸鄬W(xué)科的前沿交叉研究領(lǐng)域之一，在航天、國(guó)防、海工、機(jī)電、生物醫(yī)學(xué)與工程等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力[3-4]。在海洋智能化時(shí)代，發(fā)展小型智能化水下無(wú)人設(shè)備是實(shí)現(xiàn)未來(lái)海洋觀測(cè)的重要機(jī)遇和挑戰(zhàn)[5]。面對(duì)人類不可預(yù)知的極端深海環(huán)境，開(kāi)發(fā)和應(yīng)用可以挑戰(zhàn)各種復(fù)雜海底環(huán)境的智能水下機(jī)器人將至關(guān)重要。由于受傳統(tǒng)的水下機(jī)器人響應(yīng)速度、驅(qū)動(dòng)方式和體積等因素的限制，導(dǎo)致其機(jī)動(dòng)性、可控制性及環(huán)境適應(yīng)性受到極大的制約?！拔锔?jìng)天擇”的自然生存法則使海洋生物的身體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)模式得到了最優(yōu)化的選擇，將智能驅(qū)動(dòng)材料深度融合到海洋仿生機(jī)器人的研制中是當(dāng)前水下機(jī)器人領(lǐng)域的技術(shù)前沿之一[6-7]。

本文綜述了基于智能材料的深海執(zhí)行器和海洋仿生機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況，分析比較了它們的驅(qū)動(dòng)機(jī)理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)以及優(yōu)劣勢(shì)等，并對(duì)未來(lái)在海洋領(lǐng)域應(yīng)用的主要技術(shù)挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢(shì)作出了展望。

1 智能驅(qū)動(dòng)材料

智能材料是一類可以對(duì)外界差異刺激做出不同反應(yīng)和處理的新型智能化功能材料系統(tǒng)。智能驅(qū)動(dòng)材料兼具感知、執(zhí)行和信息控制等功能，可以實(shí)現(xiàn)“無(wú)機(jī)械關(guān)節(jié)的原位驅(qū)動(dòng)”模式,是一種發(fā)展?jié)摿O大的獨(dú)特驅(qū)動(dòng)方式[6]。常見(jiàn)的智能驅(qū)動(dòng)材料主要包含形狀記憶合金/聚合物（shape memory alloy/polymer，SMA/SMP）、壓電陶瓷（piezoelectric transducer，PZT）、電活性聚合物（electroactive polymers，EAP）等[8]，其中典型的電活性聚合物又可細(xì)分為離子聚合物金屬?gòu)?fù)合材料（ionic polymer-metal composites，IPMC）和介電彈性體（dielectric elastomer，DE）[9]。

智能材料的驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)和性能會(huì)因各材料的驅(qū)動(dòng)機(jī)理不同而有所區(qū)別。SMA用于水下驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要是利用形狀記憶效應(yīng)（SME）的性質(zhì)，且以單程記憶效應(yīng)為主。目前，Ni-Ti 系SMA 的實(shí)踐應(yīng)用最為普遍[10]，其最大收縮應(yīng)變可達(dá)8%，具有優(yōu)異的超彈性、形狀記憶效應(yīng)、生物相容性、高阻尼性以及耐磨性等[11]；PZT 具有高輸出能力、高功率密度以及尺寸緊湊等優(yōu)點(diǎn)，在傳感器和制動(dòng)器領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[12]；IPMC具有體積小、重量輕、響應(yīng)快的優(yōu)勢(shì)，但輸出功率較小[13]；DE具有彈性模量低、變形大、工作溫度寬、機(jī)電耦合效率高以及頻率范圍廣等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[14]，但驅(qū)動(dòng)電壓較高，在海水環(huán)境中的絕緣傳輸存在較大的困難，且面臨超限擊穿失效的風(fēng)險(xiǎn)，常見(jiàn)智能材料的性能參數(shù)如表1所示。

表1 典型智能驅(qū)動(dòng)材料的性能參數(shù)[6]Tab.1 Performance parameters of typical smart drive materials[6]

2 深海執(zhí)行器

隨著深海探索的發(fā)展，越來(lái)越多的海洋裝備被投放在深海區(qū)域，其搭載的很多傳感器和采樣設(shè)備都需要深海執(zhí)行器將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并完成觸發(fā)或執(zhí)行指定動(dòng)作，而傳統(tǒng)的執(zhí)行器存在固有缺陷，迫切需要新型執(zhí)行器來(lái)代替。

2.1 傳統(tǒng)深海執(zhí)行器

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，深海探索的裝備主要有載人潛水器、無(wú)人潛水器、深海著陸器、水下滑翔機(jī)、剖面浮標(biāo)和深拖等[15-16]，如圖1 所示。這些傳統(tǒng)深海裝備一般以電磁體、電機(jī)或液壓等[17]作為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器，存在造價(jià)高、系統(tǒng)復(fù)雜、重量重、體積大、長(zhǎng)周期布放可靠性低、噪聲和電磁干擾及生物兼容性差等固有的局限性。

圖1 傳統(tǒng)海洋探索裝備[15-16]Fig.1 Traditional ocean exploration equipment[15-16]

2.2 智能驅(qū)動(dòng)器

為了突破傳統(tǒng)深海執(zhí)行器的缺陷，人類開(kāi)始向自然學(xué)習(xí)，將可以感知外部刺激的智能材料引入海洋領(lǐng)域。智能材料的應(yīng)力-應(yīng)變性能優(yōu)異，耐壓和密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量和體積超小，自身可以完成電能到機(jī)械能的輸出。目前，智能驅(qū)動(dòng)器主要有SMA 驅(qū)動(dòng)器、EAP 驅(qū)動(dòng)器和PZT 驅(qū)動(dòng)器等，且大部分處于淡水試驗(yàn)階段，在深海極端環(huán)境下的性能參數(shù)尚不明確。

2.2.1 SMA驅(qū)動(dòng)器

多數(shù)SMA 驅(qū)動(dòng)器由軟體介質(zhì)基底和驅(qū)動(dòng)元件組成，其結(jié)構(gòu)的變形和驅(qū)動(dòng)力通常是單根或多根SMA 絲的組合致動(dòng)[9]。SMA 驅(qū)動(dòng)器的變形能力較為突出，但存在散熱慢和效率低的問(wèn)題。針對(duì)這些局限性，Wang等[18]提出了一種以易熔合金管來(lái)提高軟體材料剛性的耦合新型驅(qū)動(dòng)器，如圖2（a）所示。She 等[19]利用寬窄片的物理結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)研制了一種片狀的SMA 驅(qū)動(dòng)器，成功規(guī)避了材料散熱慢的問(wèn)題，從而有效提高了工作效率，如圖2（b）所示。Hugo 等[20]將SMA 絲傾斜分列在硅膠薄片表面，通過(guò)加熱圓柱形的卷縮硅膠片可產(chǎn)生最大30°的扭轉(zhuǎn)變形，實(shí)現(xiàn)了SMA驅(qū)動(dòng)器的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖2（c）所示。

圖2 SMA驅(qū)動(dòng)器[18-20]Fig.2 SMA actuator[18-20]

2.2.2 EAP驅(qū)動(dòng)器

EAP驅(qū)動(dòng)器主要包括IPMC 和DE兩種。IPMC 驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電壓低、頻率快、能耗少，但游速和驅(qū)動(dòng)力較小。Guo 等[21]將柔性聚合物（PEDOT）移植到IPMC 電極表面，改善驅(qū)動(dòng)器的機(jī)電性能并有效減少水分流失，使其穩(wěn)定工作時(shí)間延長(zhǎng)至1000 s 以上，如圖3（a）所示。DE 驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)快、無(wú)噪點(diǎn)干擾，但驅(qū)動(dòng)電壓較高，技術(shù)難度相對(duì)較大。Liu 等[22]提出一種內(nèi)置蜂窩元結(jié)構(gòu)的單向軟介電彈性體執(zhí)行器，其蜂窩元將驅(qū)動(dòng)器的面擴(kuò)展轉(zhuǎn)換為定向變形，額定應(yīng)變達(dá)到15.8%，如圖3（b）所示。Giacomo 等[23]設(shè)計(jì)了一種基于苯乙烯基合成橡膠（SR）的介電彈性體執(zhí)行器，利用橡膠的雙軸預(yù)拉伸來(lái)實(shí)現(xiàn)DE膜的剛度補(bǔ)償，從而使執(zhí)行器側(cè)面行程提升了18%以上，如圖3（c）所示。

圖3 EAP驅(qū)動(dòng)器[21-23]Fig.3 EAP actuator[21-23]

2.2.3 PZT驅(qū)動(dòng)器

PZT 驅(qū)動(dòng)器在水下可執(zhí)行伸縮雙向動(dòng)作，類似雙程記憶效應(yīng)SMA 的功能，伸縮應(yīng)力在100 MPa 量級(jí)，且動(dòng)作頻率較高，電能轉(zhuǎn)為機(jī)械能的效率高達(dá)90%左右，但變形量?jī)H有0.2%左右，作為驅(qū)動(dòng)器時(shí)需要傳輸機(jī)構(gòu)來(lái)放大，一定程度上增大了裝備的體積，同時(shí)驅(qū)動(dòng)PZT 需要較高的電壓（50～800 V），這就帶來(lái)密封困難和效率降低等問(wèn)題。因此，目前PZT驅(qū)動(dòng)器僅在壓電電機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用[24-25]（見(jiàn)圖4），而在深海領(lǐng)域未有實(shí)際探索嘗試。

圖4 PZT驅(qū)動(dòng)器[24-25]Fig.4 PZT actuator[24-25]

2.3 典型深海執(zhí)行器的對(duì)比

SMA驅(qū)動(dòng)器造價(jià)低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐腐蝕、應(yīng)力和應(yīng)變都較大，具備很多深海執(zhí)行器需要的輸出力和輸出行程要求。DE 驅(qū)動(dòng)器的高驅(qū)動(dòng)電壓在海水環(huán)境中的絕緣傳輸存在較大的困難。IPMC 驅(qū)動(dòng)器提供的驅(qū)動(dòng)力較小，在海水等離子溶液中存在較嚴(yán)重的漏電現(xiàn)象，導(dǎo)致其動(dòng)作幅度和效率極大降低。綜合使用環(huán)境、輸出力、行程、結(jié)構(gòu)、重量以及體積等因素，SMA 驅(qū)動(dòng)器是現(xiàn)階段最接近海洋工程實(shí)用化的智能材料。不同執(zhí)行器的性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 典型深海執(zhí)行器的性能參數(shù)Tab.2 Performance parameters of typical deep-sea actuators

3 海洋仿生機(jī)器人

綜合智能材料和海洋生物的推進(jìn)方式而設(shè)計(jì)出的海洋仿生機(jī)器人能夠較好地完成指定動(dòng)作，從而使人類在不破壞海洋生態(tài)系統(tǒng)的前提下更好地了解海洋、運(yùn)用海洋。

3.1 海洋生物推進(jìn)模式

海洋生物的推進(jìn)模式是生活環(huán)境、習(xí)性、運(yùn)動(dòng)能力長(zhǎng)期綜合優(yōu)化的結(jié)果?？茖W(xué)家將海洋生物的推進(jìn)方式分為：擺動(dòng)、劃動(dòng)、螺旋以及噴射推進(jìn)。擺動(dòng)模式是海洋魚(yú)類最普遍的游動(dòng)方式[26]，也是目前研究最多的推進(jìn)方式，具體如圖5（a）所示；劃動(dòng)推進(jìn)是近底海洋端足類生物的常用運(yùn)動(dòng)方式，如圖5（b）所示；噴射推進(jìn)在烏賊、魷魚(yú)、水母等具有特殊構(gòu)造的海洋生物中較為常見(jiàn)，是仿生推進(jìn)系統(tǒng)的重點(diǎn)模仿模式。

圖5 海洋生物推進(jìn)方式Fig.5 Swimming modes of marine life

3.2 智能海洋仿生機(jī)器人

綜合現(xiàn)有仿生結(jié)構(gòu)、智能驅(qū)動(dòng)材料以及先進(jìn)的控制方式，發(fā)展功能趨近海洋生物的機(jī)器人是當(dāng)前水下機(jī)器人領(lǐng)域的技術(shù)前沿之一。目前，海洋仿生對(duì)象主要有海龜、水母、烏賊、蝠鲼和牛鼻魟魚(yú)等。

3.2.1 SMA仿生機(jī)器人

日本香川大學(xué)Shi 等[27]模仿水母的運(yùn)動(dòng)，提出了基于SMA 驅(qū)動(dòng)的新型仿生水下機(jī)器人，如圖6（a）所示；之后，Sumoto等[28]為了突破小型機(jī)器魚(yú)的有效載荷小和無(wú)法攜帶傳感器的局限性，通過(guò)分段二進(jìn)制控制法（SBC）開(kāi)發(fā)了SMA驅(qū)動(dòng)的大型魚(yú)型機(jī)器人，游速達(dá)到了7 cm/s，如圖6（b）所示；美國(guó)弗吉尼亞理工學(xué)院的Villanueva 等[29]模仿海月水母的推進(jìn)機(jī)制和外觀，研制了一種基于仿生形狀記憶合金復(fù)合材料（BISMAC）驅(qū)動(dòng)的仿生水母機(jī)器人Robojelly，其直徑為164 mm，最高速度為54.2 mm/s，如圖6（c）所示；韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)的Song 等[30]開(kāi)發(fā)了以智能軟復(fù)合材料結(jié)構(gòu)（SSC）為執(zhí)行器的仿生海龜，通過(guò)SMA 和編織物的復(fù)合實(shí)現(xiàn)了海龜在多步態(tài)下的柔和動(dòng)作，游速最大可達(dá)22.5 mm/s，如圖6（d）所示。

圖6 SMA仿生機(jī)器人（I）[27-30]Fig.6 Biomimetic robot(I)actuated by SMA[27-30]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)Wang 等[31]研制了一種以SMA 絲驅(qū)動(dòng)的無(wú)線仿生蝠鲼機(jī)器人，長(zhǎng)243 mm，質(zhì)量354 g，最高游速為57 mm/s，如圖7（a）所示；高飛等[32]結(jié)合烏賊噴射推進(jìn)的運(yùn)動(dòng)方式，將SMA 絲和硅膠組合作為仿生外套膜，設(shè)計(jì)了一種推進(jìn)速度更快（87.7 mm/s）、運(yùn)動(dòng)性能更佳的仿生機(jī)器人，如圖7（b）所示；中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)Zhou等[33]通過(guò)軟智能模塊化結(jié)構(gòu)（SMS）實(shí)現(xiàn)了水母的三維運(yùn)動(dòng)模式，其以最大111 mm/s的直線巡游速度超過(guò)了海洋水母的速度，如圖7（c）所示；哈爾濱工程大學(xué)林希元[34]研制了一款SMA 彈簧驅(qū)動(dòng)的仿生水母，通過(guò)搭建非線性控制系統(tǒng)，得到了水母運(yùn)動(dòng)速度、排水情況與SMA 加熱電流的關(guān)系，如圖7（d）所示。

圖7 SMA仿生機(jī)器人（II）[31-34]Fig.7 Biomimetic robot(II)actuated by SMA[31-34]

3.2.2 IPMC仿生機(jī)器人

美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)Chen 等[35]以IPMC 為驅(qū)動(dòng)材料研制了長(zhǎng)80 mm，質(zhì)量為55.3 g 的仿生蝠鲼機(jī)器魚(yú)，其在3.3 V電壓、0.4 Hz頻率下，最大速度達(dá)到4.2 mm/s，如圖8（a）所示；之后，他們又以牛鼻魟魚(yú)為仿生對(duì)象，研制了基于IPMC 驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)器魚(yú)，其體長(zhǎng)210 mm，重119 g，可自主游動(dòng)，游動(dòng)速度為7 mm/s[36]，如圖8（b）所示；美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)Najem等[37]基于維多利亞水母的鐘形運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種以多個(gè)IPMC 執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)的軟體透明水母機(jī)器人，其直徑為164 mm，重量為11 g，最大速度為1.5 mm/s，如圖8（c）所示；Hubbard等[38]在軟體機(jī)器魚(yú)的魚(yú)鰭和魚(yú)尾上融合了IPMC材料，從而使最大游速達(dá)到了28 mm/s，如圖8（d）所示。

圖8 IPMC仿生機(jī)器人[35-38]Fig.8 Biomimetic robot actuated by IPMC[35-38]

3.2.3 DE仿生機(jī)器人

哈佛大學(xué)Berlinger 等[39]將多層DE 疊加形成的模塊化鰭狀致動(dòng)器應(yīng)用于微型水下自主航行器（AUV）中，使輸出力和效率得到了極大的提升，最大游速達(dá)到了55 mm/s，如圖9（a）所示。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Shintake等[40]研制了基于DE驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)器魚(yú)和仿生水母，解決了DE在導(dǎo)電液體中可靠運(yùn)行的問(wèn)題，但實(shí)測(cè)游速均較小，如圖9（b）所示。之后，又改進(jìn)設(shè)計(jì)了長(zhǎng)150 mm，厚0.75 mm，重4.4 g，最高游速可達(dá)37.2 mm/s 的超薄軟體機(jī)器魚(yú)[41]，同時(shí)證明基于DE 驅(qū)動(dòng)的擺動(dòng)推進(jìn)方式具有很高的潛力，如圖9（c）所示。

圖9 DE仿生機(jī)器人（I）[39-41]Fig.9 Biomimetic robot(I)actuated by DE[39-41]

浙江大學(xué)Li等[42]以蝠鲼為仿生原型，將DE作為驅(qū)動(dòng)材料，以透明硅膠作為柔性結(jié)構(gòu)體，研制了可快速運(yùn)動(dòng)且方向可控的隱蔽性柔性電子魚(yú)，其長(zhǎng)93 mm，在9.5 kV、5 Hz的條件下可達(dá)到64 mm/s 的游動(dòng)速度，如圖10（a）所示。浙江大學(xué)李國(guó)瑞[43]以硅膠胸鰭和DE驅(qū)動(dòng)模塊為動(dòng)力系統(tǒng)，研制了一種耐極端靜水壓力的深海軟體機(jī)器魚(yú)，其長(zhǎng)205 mm，重138.6 g，實(shí)現(xiàn)了在110 MPa靜水壓力下的自主游動(dòng)，如圖10（b）所示；之后，又開(kāi)發(fā)了一款電驅(qū)動(dòng)仿生水母機(jī)器人[43]，其在9 kV、1.6 Hz 時(shí)最大游速達(dá)到了10 mm/s，最大推力為0.12 mN，如圖10（c）所示。

圖10 DE仿生機(jī)器人（II）[42-43]Fig.10 Biomimetic robot(II)actuated by DE[42-43]

3.2.4 PZT仿生機(jī)器人

美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校Deng 等[44]模仿箱鲀科魚(yú)類，試制了一種總長(zhǎng)為12 mm 的微型水下航行器，具體見(jiàn)圖11（a）。韓國(guó)Heo等[45]研制了一種以PZT 驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)器魚(yú)，其長(zhǎng)為270 mm，在0.9 Hz頻率下的最大推力為0.0071 N，最大游速為25.19 mm/s，如圖11（b）所示。之后，Nguyen 等[46]用4 個(gè)PZT薄膜作為驅(qū)動(dòng)元件，設(shè)計(jì)了一款仿生機(jī)器魚(yú)，如圖11（c）所示。該機(jī)器魚(yú)長(zhǎng)400 mm，在1.4 Hz 頻率下的最大推力為0.0048 N，最大游速為32 mm/s。

圖11 PZT仿生機(jī)器人[44-46]Fig.11 Biomimetic robot actuated by PZT[44-46]

4 深海技術(shù)挑戰(zhàn)及展望

4.1 深海技術(shù)挑戰(zhàn)

智能材料驅(qū)動(dòng)的深海裝備及海洋仿生機(jī)器人的研究是為了最終在海洋中投放使用甚至組成集群執(zhí)行任務(wù)，但目前的淡水試驗(yàn)階段，并未考慮深海實(shí)際使用環(huán)境。因此，在耐壓、低溫、驅(qū)動(dòng)力和環(huán)境適應(yīng)性等關(guān)鍵技術(shù)方面仍需開(kāi)展深入研究。

（1）深海高壓環(huán)境

全海深極端環(huán)境下的最大壓力可達(dá)到110 MPa，智能驅(qū)動(dòng)器在靜水壓力和執(zhí)行載荷作用下的應(yīng)力-應(yīng)變變化情況需要構(gòu)建三維本構(gòu)模型，一維模型已不符合實(shí)際外部環(huán)境要素?，F(xiàn)階段的實(shí)驗(yàn)室仿生驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)大都以硅膠包覆，不具備耐壓能力，其在深海壓力環(huán)境下會(huì)存在結(jié)構(gòu)損壞和漏水等問(wèn)題。

（2）深海低溫環(huán)境

智能材料的熱力學(xué)性能與環(huán)境溫度密切相關(guān)，而深海海底的溫度與常溫最大相差10 倍，現(xiàn)階段的仿生機(jī)器人僅基本研究智能材料在室溫環(huán)境（約24 ℃）下的熱力學(xué)性能，而在深海低溫環(huán)境下的熱力學(xué)性能還屬未知。

（3）海水導(dǎo)電性

智能材料的最大優(yōu)勢(shì)就是集執(zhí)行和傳感于一身，通過(guò)自身的電阻變化可知驅(qū)動(dòng)器的執(zhí)行情況，但海水是導(dǎo)電的離子溶液，且不同海區(qū)在不同季節(jié)的電導(dǎo)率不同，這將導(dǎo)致采用材料電阻來(lái)進(jìn)行閉環(huán)控制的方法會(huì)存在偏差。此外，海水導(dǎo)電性也將使智能材料和連接線路產(chǎn)生漏電，這必然引起驅(qū)動(dòng)器電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的效率損失。

（4）海浪

目前的智能仿生機(jī)器人結(jié)構(gòu)大都以硅膠作為包覆主體，且驅(qū)動(dòng)器和主體結(jié)構(gòu)基本采用粘膠固定，在實(shí)際海洋環(huán)境中的布放會(huì)因海浪的沖擊而發(fā)生破壞或失效。因此，針對(duì)多變的海洋環(huán)境和實(shí)際海洋工程應(yīng)用，需要對(duì)智能仿生機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

4.2 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

（1）海洋仿生學(xué)的微觀認(rèn)知

隨著多學(xué)科、多領(lǐng)域的技術(shù)融合交叉，傳統(tǒng)仿生學(xué)的宏觀認(rèn)知已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)多變的技術(shù)要求，海洋仿生學(xué)將實(shí)現(xiàn)從宏觀到微觀的多層次跨域、不斷深入細(xì)化，從而為實(shí)際工程應(yīng)用提供理論支撐。

（2）海洋復(fù)雜環(huán)境的高度適應(yīng)性

復(fù)雜多變的海洋環(huán)境對(duì)海洋仿生機(jī)器人的實(shí)際工程應(yīng)用是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，未來(lái)對(duì)于仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、材料輕便度以及抗腐蝕性等都將提出更高的要求，同時(shí)還應(yīng)兼具小型輕便的發(fā)展趨勢(shì)。

（3）全柔一體化仿生結(jié)構(gòu)

目前的海洋仿生機(jī)器人并未對(duì)海洋生物的生物學(xué)原型進(jìn)行完全模仿，其主體結(jié)構(gòu)還是以剛性結(jié)構(gòu)為主，僅有驅(qū)動(dòng)部分屬于柔性結(jié)構(gòu)，這就使大部分仿生機(jī)器人只能單維度運(yùn)動(dòng)。未來(lái)可將柔性結(jié)構(gòu)和仿生驅(qū)動(dòng)構(gòu)件結(jié)合，發(fā)展全柔一體化仿生結(jié)構(gòu)，不僅可以避免粘膠固定的弊端，而且可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度的連續(xù)柔性動(dòng)作。

（4）智能化精準(zhǔn)控制

傳統(tǒng)的控制方法基本還是以人為主導(dǎo)，對(duì)于外界的環(huán)境變化無(wú)法做出合理判斷和更正。未來(lái)的海洋仿生機(jī)器人將會(huì)融合人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，更加注重?zé)o人自主化，通過(guò)模仿生物神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)自身的精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)多感知信息融合和協(xié)同控制的環(huán)境感知能力。

（5）負(fù)載應(yīng)用能力

目前的海洋仿生機(jī)器人基本處于運(yùn)動(dòng)仿生階段，不具備實(shí)際工程化應(yīng)用的負(fù)載能力。未來(lái)針對(duì)實(shí)際的海洋環(huán)境勘測(cè)和調(diào)查需要，仿生機(jī)器人必須具備運(yùn)動(dòng)自維持和攜帶部分傳感器的能力，從而完成其既定任務(wù)目標(biāo)。

（6）高效的生物能轉(zhuǎn)換應(yīng)用

隨著海洋仿生機(jī)器人工程化應(yīng)用的深入，單一的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能必然無(wú)法滿足應(yīng)用的長(zhǎng)周期能源供給。未來(lái)將綜合物理、化學(xué)以及生物學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域來(lái)實(shí)現(xiàn)生物能量的高效轉(zhuǎn)換和傳遞，從而降低仿生機(jī)器人的能耗，提高能量利用率[47-48]。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于智能材料的深海執(zhí)行器和海洋仿生機(jī)器人是一個(gè)多學(xué)科交叉的新興前沿領(lǐng)域。本文通過(guò)對(duì)常見(jiàn)的智能驅(qū)動(dòng)材料的結(jié)構(gòu)屬性和驅(qū)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行介紹，綜述了深海執(zhí)行器和海洋仿生機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和存在的主要問(wèn)題：

（1）智能材料的應(yīng)力-應(yīng)變性能優(yōu)異，自身可完成電能至機(jī)械能的直接輸出，從而可免去（或部分免去）耐壓和密封結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有傳統(tǒng)水下驅(qū)動(dòng)器無(wú)法比擬的超小重量和體積，是未來(lái)傳統(tǒng)水下驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)秀替代者，但材料的驅(qū)動(dòng)效率相較于傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器還有一定的差距。

（2）從使用環(huán)境、輸出力、輸出行程、結(jié)構(gòu)、重量、體積等方面綜合比較，SMA 是現(xiàn)階段最具有海洋工程應(yīng)用前景的智能材料。

（3）傳統(tǒng)深海執(zhí)行器存在重量體積大、可靠性低、噪聲和電磁干擾以及生物兼容性差等問(wèn)題。目前，基于智能材料的水下執(zhí)行器主要有SMA 驅(qū)動(dòng)器、EAP 驅(qū)動(dòng)器和PZT 驅(qū)動(dòng)器等，且基本處于實(shí)驗(yàn)室階段，其在深海極端環(huán)境下的性能參數(shù)仍有待進(jìn)一步研究。

（4）SMA 仿生機(jī)器人制作簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)力大、應(yīng)用范圍廣，但是散熱慢、效率較低；IPMC 仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活、輸出位移大，但響應(yīng)頻率低、驅(qū)動(dòng)力較小且材料需要液體環(huán)境；DE仿生機(jī)器人驅(qū)動(dòng)頻率高，變形大，但驅(qū)動(dòng)電壓高，需要預(yù)拉伸來(lái)發(fā)揮驅(qū)動(dòng)作用，同時(shí)需要預(yù)設(shè)剛性框架支撐；PZT 仿生機(jī)器人響應(yīng)速度快，驅(qū)動(dòng)力大，但驅(qū)動(dòng)電壓大，變形小。