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IEEE海洋工程杂志，第30卷，第1期，2005年1月
生物机器人自主水下航行器的发展趋势
Promode R. Bandyopadhyay
摘要—在海军研究办公室的“生物机器人计划”范围内，人们考虑将生物机器人自主水下航行器（AUV）的出现作为水下推进和机动背景下学科综合研究的重点。为了将它们集成到可行的产品中，讨论了三个学科的重大进展，即生物学启发的高扬程非稳态流体力学，人造肌肉技术和基于神经科学的控制。在基于鱼类胸鳍的装置的背景下，回顾了对延迟失速机制，人造肌肉的分子设计以及控制表面致动的神经学方法的理解，同时重点关注它们在生物机器人自主水下航行器中的集成实现。对游泳动物和水下航行器的巡航和操纵之间的平衡进行了机械的理解。自然界和工程界的所有水上平台，除了在少数物种中观察到的短时爆裂速度外，似乎都处于其自然振荡周期等于其传播自己长度距离所花费的时间的条件下。小型水下实验性生物机器人航行器的开发进程被认为是将上述三个学科整合到一种新颖的操纵装置或推进器中的。讨论了操纵和消音的潜力。
关键词—人工肌肉，自主水下航行器（AUVs），生物机器人学，鱼类生物学，高扬程，流体动力学，内部弗洛德数，操纵，基于神经科学的控制，胸鳍，聚合物
Ⅰ.引言
一段时间以来，工程师们一直在实施一套运动原理来建造游泳和飞行平台。这一努力导致了潜艇和自主水下航行器（AUV）的成熟设计。有些“未使用”的原则实施起来有风险。然而，最近对游泳和飞行动物的兴趣表明，这些“危险原则”是经常使用的并且在一个系统中确实是可行的。具体来说，设计潜艇和飞机所依据的稳态流体力学并不能解释珊瑚礁鱼的盘旋或快速转向，也不能解释果蝇的高升力。在动物游泳和飞行中，非定常流体力学是一种常态。工程师们还没有根据这些不稳定的高升力原理制造车辆。由于成本和可靠性的考虑，传统的电机驱动无法产生这些提升表面的动态三维（3-D）运动。人们需要具有与哺乳动物肌肉相似特性的各向异性人工肌肉（AM）。因此，要在水下或空中平台的低速机动、消声、信号消除、功率或重量减轻等方面引发下一次革命，就需要高升力生物流体力学和人工肌肉科学技术的结合。然后，这种组合就可以接受基于神经科学的控制，使飞行器在水下或空中环境中具有自主性（即适应性和非线性可控性等特性），或使水下武器具有前所未有的隐身能力。换言之，如果采用生物启发和多学科的方法，实施“未使用的原则”是可行的。海军研究办公室（ONR）内的生物机器人项目正试图发展基础科学和技术。基准正在准备从一个先进的海豚式移动的生物机器人自主水下航行器的概念设计。
从科学到技术，生物机器人自主水下航行器的发展需要按成熟度排序如下。第一个领域涉及对鱼类胸鳍肌肉生理学及其神经科学控制机制的理解。第二个领域涉及导电电活性聚合物和其他竞争性人工肌肉的分子设计，以匹配或超过哺乳动物肌肉的性能，优化水下航行器中使用的相互冲突的材料性能，以及此类肌肉的生产和基础工程。所需的材料的性能是一个紧凑的，小体积的驱动器，它是应变，应力，功率，效率和重量的整个矩阵的最佳组合；用作驱动器、动力源或传感器；适应神经网络结构；总的来说，关键指标是其与生物学的接近程度。第三个领域集中于各向异性生理学和神经科学的工程实现平台运动的控制，特别是通过在微处理器上编码偏转的AM控制鱼状胸鳍。第四个领域是柔性三维胸鳍高升力机理的定量研究，这是一种适用于正在经历俯仰、偏航和滚转运动以及雷诺数定标律的自动水下航行器的水生动物。第五个领域涵盖了海洋工程的在刚性圆柱壳的高雷诺数的高升力机制的延伸。第六个领域描述了基于系统的集成，将三个学科的精粹科学集成到一个胸鳍状的、用于刚性船体形状的控制面。这种集成将产生一个可编程的轻重量控制表面，满足水下悬停和精确机动。为了开发一个单一的可行产品，必须尽早整合不同的学科。建立在生物机器人研究之上的并且实施在海军水下作战中心（NUWC）、Newport和RI的方法，已经在其他地方进行了审查，并且是前期研讨会的重点。
上述以科学技术排序的领域在本文中按以下顺序排列。在第二节中，这些主题描述了背景：当代工程自动水下航行器和性能需求，总结了生物平台研究的经验教训和历史趋势，以及与巡航相比越来越重要的机动性测量的机制框架。第三部分给出了科学的水动力基础，包括：高升力机理、工程装置和可行性。第四节回顾了人工肌肉驱动器技术，并对其可行性进行了探讨。在第五节中，总结了基于神经科学的控制的进展，以确定如何为小型水下航行器构建控制器。在第六节中，我们探讨了将流体力学、人工肌肉技术和基于神经科学的控制等学科整合到自动水下航行器中的可行性。在第七节中，几个当代的生物机器人自动水下航行器与上述集成自动水下航行器的概念进行了比较。在第八节中，我们探讨了集成生物机器人自动水下航行器对辐射噪声的潜在影响。第九节对发展趋势作了总结。讨论了基于机理的仿真、分析建模、新颖实验和设计。
Ⅱ.背景：科技
A.现代工程自动水下航行器
三个军种正在开发用于监视和作战的无人航行器。虽然耐力是早期的重点，但任务的成功取决于低速机动性。游泳的动物在这方面很出色。因此，如果研制成功，该项目的推进器将影响国防部（DOD）的几个项目。在沿海地区，海军将在中短时间内受到自动水下航行器、反制措施（CM）和滑翔机这样较小型平台低速机动能力的影响，在较长时间内受到武器隐身能力的影响。自动水下航行器相较于使用高分辨率和一维（1-D）线性扫描探雷，将更偏向于悬停、包围并诊断对象，以提高传感器的能力和衡量障碍物的高度来回避它。自动水下航行器的能量和通信带宽将受到影响。人工肌肉将使长时间的水下滑翔机具有机动性。集成的人工肌肉、高升力和基于神经科学的控制将使潜射对策移动和集群成为可能。由于驱动推进器和操纵面的电机的振动传递到船体上并且是车辆辐射噪声的主要来源，因此通过传导聚合物人工肌肉消除电机将降低船体振动，从而使平台前所未有的安静。
最近从系统的角度回顾了自动水下航行器发展的历史。所有的自动水下航行器，因为它们在大小和运动上与大型水生动物相似，所以都是生物机器人改进的候选对象。目前有大约240种现代自动水下航行器。《IEEE海洋工程杂志》在一期特刊中对其中一些问题进行了科学描述。这些平台的特点是刚性和圆柱形小船体样式，并基于完善的设计原则。其中，图1显示的是斯洛库姆滑翔机，图2显示的是雷姆斯自动水下航行器。雷姆斯有一个轴对齐螺旋桨推力，而Ranger MicroAUV有一个允许推力矢量铰链。CETUS II有一个像螳螂一样的硬壳和两个离轴推进器，这是推力矢量的另一种方式。后两个可以看作是传统的工程改造，以填补REMU在机动性上感知的差距。
图3显示了一个用于有限机动性的小型推进器的水下方案，这也是生物机器人改进的候选方案。这些平台体积小，长度约2-3米，重量轻，可以手动操作，并且大多以几节或者高一点的低速运行。它们被视为携带传感器阵列的平台，用于水文测量、雷场测量、潜艇反制或水下装置测量。这些平台是目前生物机器人性能提升的目标。
水生动物可以被认为是一个完美的自主海底平台，为特定的栖息地而优化，这是在特定环境中生存和繁殖的举措。这个模型，即水生动物，不是一个理想化的假设平台，而是一个赢得生存竞争的平台。因此，整个系统的可行性是毋庸置疑的。这个问题是弥合科技在自然和工程之间在特定学科的差距。
在自动水下航行器上下文中，问题是根据相关的水下机器人和常规自动水下航行器之间的差异提出的。生物传感器及其信号处理在别处也有考虑。DARPA项目中只有一小部分与果蝇飞行有关并且只关注与平台相关的运动。水生动物的低速、精确的机动能力就是一个可以通过几个特征来广泛地定义不同的例子。第一个 不同的悬浮能力是由不同类型的胸鳍或者船体形式产生的，这种悬浮能力是在不考虑前进速度的情况下循环产生的。下一个区别是短半径转弯，由阶段性神经控制操作一个鳍或一个鳍片来执行。这种运动可以也是捕食者-猎物动态响应中的突然加速或爆发的速度和减速，这是一个鲜为人知的现象并且涉及到肌肉的神经控制。最后，这种能力也可以结合减速，然后短半径转弯和加速，从而避免障碍物，例如苍蝇的扫视。这些机动运动可以通过灵活的动力学胸鳍来完成，这将在后面讨论。各种循环控制面（图4）循环它们的分阶段俯仰、偏航和滚转相位，并且是灵活的。 这些能力似乎可以通过人工肌肉构建的胸鳍及其基于神经科学的控制来进行工程化。这篇文章将简要讨论这些方面。最后，由于动力装置的不同和隐身要求的不同，理想情况下，水下航行器中的电机轴齿轮传动系需要通过人工肌肉来取代，以减少船体振动并为有效载荷提供更多空间。
图5显示了在自动水下航行器的全球市场，一个假设数量级的增长可能是生物机器人的改进目标。当前单位假设为s，成本为美元，单位和成本的增长率为10%。在十年内，可能会增加到数千台，每台的毛重和成本都会增加到百万美元，整个市场也会上升到亿美元。因此，生物机器人自动水下航行器似乎具有潜在的冲击力。
图2。自动水下航行器是一种小型轻型低速飞行器。
图1。滑翔机体积小，重量轻，速度慢。
B.生物机器人项目的生物工程经验
该计划涵盖了一系列的平台规模。生物模型包括果蝇（O（1 mm））、蟑螂（O（10 mm））和孔雀鱼（O（100 mm）），而它们的机器人模型则分别包括MFI、微型飞虫（O（10 mm））、无尾类（O（100 mm））和NUWC多自由度全尺寸机动翼（O（1000 mm））。
图3。方案通常体积小、重量轻、几乎不能移动。一个更现代的稍微移动的版本，带有悬停系统的特写，如下图所示。
图4。典型的鳍控制面和鱼的形态长度尺度
图5。生物机器人自动水下航行器的商业市场预计。
在开发这些平台的过程中，人们提出了一个问题：从生物学中学到了什么传统的工程学未知的。基于步行和飞行的生物机器人的经验，如Sprawlita和MFI，表一和表二给出了一些答案。它们包括实施工程中未广泛使用的新机制，如结构顺应性或高升力空气动力学，从而提供新的性能能力；平台运动控制方法，即在被动控制层上建立主动控制层来提供稳健性；更少的传感器；以及更低的建造和运营成本。
表Ⅰ
从蟑螂生物学到像SPRAWLIT这样的仿生机器人的关键思想
C.海豚生物声纳和生物机器人自动水下航行器
自动水下航行器的重要功能是探雷。检测错误警报的基准是由美国海军哺乳动物系统设定的，海豚达到的水平在其中发挥了重要作用。这项任务的自动水下航行器的发展可以被看作是一种努力取代人在循环中，即潜水员，并通过自动化以相等或减少误报率执行任务。这就决定了生物机器人项目的目标，即通过提高生物机器人的性能来弥合自然与工程之间的鸿沟。这种可操作性的差距将在以后进行部分量化，并为弥补差距的方案提供科学依据。这是本文的总体目的。请注意，我们的目标不是建造动物的机器人复制品。我们的目标是从生物学中提取科学知识，并在现有的平台组件上实现这一点，同时尽可能最小化后勤和最大化操作影响。
表Ⅱ
从果蝇生物学到仿生机器人——微型飞虫的关键思想
D.鱼类运动研究动态
动物系统在各种环境中往往非常健壮；它们是具有冗余的自适应闭环系统；它们是自主的，经济的，并且对环境进行了优化。基于目前将生物科学应用于水下机器人的目标，鱼类运动研究可分为三个阶段，最后达到海军研究办公室计划，该计划试图将基于生物的、高升力的流体动力学与基于人工肌肉和基于神经的胸鳍装置控制相结合，从而形成一个生物机器人自动水下航行器。这三个周期如图6（a）–（c）所示。第一阶段[图6（a）]大致延伸到1990年，受到假设自然界中采用的游泳机制优于工程中所采用的机制的激励。
图6(a） 推进和阻力主导了研究的早期阶段：1900-1990年
（b）20世纪90年代研究的过渡时期，重点从推进转向机动，船体从柔性转向刚性，尾鳍转向胸鳍装置
图6（c）AUV机动的最新学科整合时期：2000-2010
主要检查了尾鳍的推进力。二战期间在德国和20世纪60年代在美国海军的鱼雷中已经探索了这种技术的应用。对生物机器人的兴趣在20世纪90年代的第二个时期（图6（b））中得到了发展。这是强调应用的时期，从推进到机动，从尾鳍到胸鳍装置，从柔性到刚性船体。如今，旋涡主导的非定常流体力学已成为生物运动的关键特征。 鳍运动的神经生理学方面也开始显示出与不稳定的水动力
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