尽管环境或尺度存在差异，自然选择和物种演化使得许多利用扇动翼、鳍实现推进的飞行、游进的生物拥有相似的运动学形态，例如，它们的斯特劳哈尔数（Strouhal Number(St),用来描述翼、鳍的运动学无量纲参数）都集中在0.2到0.4之间来实现最大的推进效率；同时研究者发现当它们在空中或水中稳态运行期间，这些自然“推进器”在扇动翼、鳍时，拥有类似的运动特征和弯曲角。近年来，由于软材料和人类肌肉相近的弹性模量，利用柔性驱动器构造仿生机器人受到了广泛的关注。但是对于仿生软机器人，如何在模仿相似的扇动和弯曲的运动学形态，同时实现快速且高效的游动，成为一个亟待解决的难题。
近日，北卡州立大学（NCSU）尹杰团队受扑翼游动启发，提出了一种由双向弯曲柔性驱动器和预弯曲柔性扑翼组成的双稳态和多稳态的软扑动执行器，利用双稳态和多稳态间的快速突跳（Snapping），实现了类似蝶泳泳姿，高效且快速游动的软机器人。该机器人仅有2.8克，但可实现和海洋生物相似的高效运动模式（0.2 < St = 0.25 < 0.4），其速度可达每秒3.4个身长（比报道的同类最快软机器人快4.8倍） ，同时保持了低功耗和高机动性（每秒可转动157°）。
北京时间2022年11月19日，论文以“Snapping for high-speed and high-efficient, butterfly stroke-like soft swimmer”为题在线发表在 Science Advances 杂志上。论文第一作者为团队博士生赤银鼎博士，其它作者有博士生洪尧烨以及博士后赵耀和李艳滨，通讯作者为尹杰。
该工作是继2020年5月猎豹启发快速奔跑软机器人工作后（详见知社报道“Science Advances：奔跑吧软机器人”[JY1] ，Tang et al., Sci. Adv. 2020; 6: eaaz6912），该团队在巧妙利用双稳态结构实现快速且高效的水下软机器人上应用的又一项突破。
双稳态和多稳态软扑动执行器的设计理念
研究团队通过将两条平行的聚酯柔性带与中间的软气动双向驱动器桥接，使得柔性框架呈现出最初的“H”形形状（图1A，i）。然后，连接“H”形带的两个尖端的同时引入横向扭转和压缩变形，形成一对具有预存储弹性应变势能的双稳态弯曲扑翼（图 1A，ii）。其所形成的预弯曲扑翼的曲率和形状可以通过翼展 S 进行调整。居中的软驱动器小幅度弯曲可克服双稳态扑翼中的能垒 (ΔE)（图 1B）并同时触发快速突跳来带动扑翼的扇动，从而大大地放大了其拍打和旋转运动。类似地，这种双稳态设计可以进一步扩展到多稳态设计。研究团队将两个软气动弯曲驱动器并联连接，中间由H形聚酯带粘合（图1C，i），形成多稳态结构。通过控制并联气动驱动器的弯曲，此软扑动执行器可以在四种稳态之间随意切换（图1C，ii）。需要注意的是，双驱动模式所克服的能垒 ΔE2 是单驱动模式 ΔE1 的两倍，即 ΔE2 = ΔE1（图 1D）。
图1：双稳态和多稳态软扑动执行器的设计和工作原理。
“8”字形扑翼轨迹和增强的动态驱动性能
由于软驱动器的多自由度模态，气动膨胀可同时驱动并放大扑翼的顺时针旋转和扇动。研究团队通过高速追踪扑翼的轨迹发现，两侧扑翼可在40毫秒内完成向上或向下扑动 （翼尖的瞬时速度可达6.6 米每秒），且翼尖轨迹遵循对称的弧形路径且并实现42°倾翼动角（flapping angle）。有趣的是，在一个完整的扇动的运动循环内，扑翼翼尖会在 XZ 平面上画出阿拉伯数“ 8” 字形闭环轨迹（图 2B），这与悬停状态下的蜂鸟和大黄蜂拍动翅膀的轨迹非常类似（图 2C-2D）。通过调整扑动执行器的翼展，研究团队进一步研究了扑动软执行器的动力学和驱动性能。简而言之，相同气动驱动下，执行器的翼展越短，驱动时间越长，突跳的时间越快，动态输出力就越大。
图 2 双稳态预弯曲扑动软致动器（翼展：150 mm）由突跳引起的扇动和旋转运动
仿蝶泳泳姿实现快速高效游动
此外，研究团队进一步研究了扑动软执行器在水下机器人中的应用。软机器人通过弯曲其柔软的身体以产生波浪状的起伏，其前端在划水过程中上下移动（图3C），同时， 起伏的身体与两个灵活扑翼相互协调快速拍打和扫动水面来增强推进力。研究团队观察发现软机器人游进的姿态（扑翼）和蝶泳泳姿非常类似（图3B）。不同的是，软体机器人在向上扇动扑翼时也可以提供向前游动的推力。此外，研究者进一步对比了该软机器人和基于弯曲或者扇动身体来游进的自然生物的运动表现，他们发现，此软机器人可实现和海豚类似的相对游进速度（每秒游进3.4个身长），并保持高效的推进效率（0.2）和类似的弯曲角度（图4）。
图3 蝶泳式双稳态扑翼软体游泳机器人
图4 高速、高效的双稳态扑翼软体游泳机器人性与水下生物、其他软机器人的游进表现对比
展望
该工作利用结构的失稳突跳原理来加快和放大软材料的响应，理论上该原理也可以推广其它活性材料驱动器比如液晶弹性体，水凝胶，形状记忆聚合物和电介质弹性体等。此种无需复杂传动机构却能将二维平面内的弯曲运动转化成三维空间内的复杂运动也可推广到不同的应用场景，例如爬行，跳越和飞行等。
文章信息：
Y. Chi, Y. Hong, Y. Zhao, Y. Li, J. Yin, “Snapping for high-speed and high-efficient, butterfly stroke-like soft swimmer”, Science Advances, 8, eadd3788 (2022), https://doi.org/10.1126/sciadv.add3788
团队介绍
尹杰团队(https://jieyin.wordpress.ncsu.edu/)目前致力于力学、材料以及结构在软体机器人、机械超材料、以及多功能形变节能材料上的基础以及应用研究。近期代表性原创成果包括：
软机器人领域：
快速高效蝶泳软机器人 (Chi et al., Sci. Adv., 8, eadd3788, 2022)
自主智能软机器人 (Zhao et al., PNAS, 119, e2200265119, 2022; Zhao et al., Adv. Mater. 202207372, 2022)
无损伤剪纸机械手 (Hong et al., Nat. Commun. 13, 530, 2022)
快跑软机器人 (Tang et al., Sci. Adv., 6, eaaz6912,2020)
水陆两栖攀爬软机器人 (Tang et al., Soft Robot., 5, 592, 2018)
功能性剪纸：
三维立体模块剪纸与剪纸超材料 (Li et al., Adv. Funct. Mater., 2105461, 2021; Li et al., Mater. Today Phys., 100511, 2021)
活性剪纸与剪纸智能窗 (Tang et al., PNAS, 116, 26407, 2019; Tang et al., Adv. Mater., 29, 1604262, 2017)
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