随着海洋工程技术的发展，开发和使用能够适应各种复杂海底环境的水下机器人的任务变得尤为重要，这种需求促进了水下机器人的发展。然而，水下机器人在水中实现指定的动作任务时会受到各种环境限制，要实现各种复杂的运动需要水下机器人具有较高的响应速度和加速度，也需要具有较小的转弯半径。水生物生活在复杂多变的环境中，表现出了比较完美的运动特性，因此根据水生物特点设计各种仿生机器人成为了国内外研究的焦点。

在仿生机器人的研究过程中，国内外研究人员试着利用电机或者液压驱动加上各种杆、铰链、活塞等机构实现了仿生机器人的运动。与传统螺旋桨驱动的机器人相比，这些机器人具有推进效率高、机动性好等特点，实际使用中也表现出了比较好的性能。但是，这些仿生机器人也有体型庞大、较难实现柔性运动、推进效率难以媲美模仿的生物等缺陷，在智能控制和操控性等方面还存在很多问题。

近年来，智能材料如形状记忆合金(Shape Memory Alloy, SMA)、离子导电聚合物材料(Ionic Polymer Metal Composites, IPMC或者Ionic Conducting Polymer Film, ICPF)、压电材料^[1]和纳米碳复合材料(Nano-carbon composites)发展迅速，国内外研究人员利用其中较为成熟的材料作为驱动器，设计并研发出了一系列新型水下仿生机器人。采用智能材料驱动的仿生机器人能够很容易地表现出柔性化和完成复杂的运动，在生物学机制上有很大的优势。同时，不同的智能材料在性能和特点上都有不同，它们都有着各自的优缺点，本文综述了国内外近几年研究的几种水下仿生鳍机器人，分析了它们的结构特点、驱动模式，并将驱动效率进行了一定的量化对比，并指出了机器人中的一些不足。

1 常见智能驱动材料的驱动特性 1.1 形状记忆合金材料

形状记忆合金(SMA)在高温下定形后，冷却到低温，施加变形并存在残余变形，若再加热升温到某一确定的温度后，就能恢复到变形前的形状，此过程可以循环往复，这种明显的特征就是形状记忆效应(Shape Memory Effect，简称SME)。

形状记忆合金之所以有形状记忆效应，原因在于形状记忆合金存在两种不同的结构状态，高温时称之为奥氏体相，低温时称之为马氏体相，其微结构变化过程为：冷却状态的孪晶马氏体发生变形后变为变形马氏体；变形马氏体加热后逆转为奥氏体，形状恢复；奥氏体冷却后，再次变为孪晶马氏体(见图 1)，实现形状记忆的功能^[1]。

1.2 离子导电聚合物材料

ICPF也称为IPMC，是一种电活性高分子材料(Electroactive Polymer，EAP)，其主体是聚合物薄膜，如Nafion。聚合物薄膜的两面镀有薄的贵金属(如铂、金)电极。因其具有感知和驱动的双重功能而被称为智能材料。当在ICPF的聚合物薄膜表面电极处施加电压时，在静电力作用下，ICPF内部可活动阳离子重新分布，带动水合水分子向阴极运动，导致阳离子和水分子在阴极积累。在静电力和膨胀力的共同作用下造成ICPF向阳极方向弯曲变形(见图 2)。

1.3 压电材料

压电材料的主要功能是能够把机械能转变成电能，反之亦然。目前，主要压电材料可分为无机和有机(聚合物)压电材料，其中无机压电材料主要是单晶体(如石英(SiO2))和多晶体(锆钛酸铅(Principle of lead zirconate titanate，PZT)，见图 3)压电陶瓷，有机压电材料主要是偏聚二氟乙烯(PVDF或PVF2)。

PZT材料具有良好的压电效应，可以用来作为驱动元件。所谓压电效应，通俗地说就是物体在外力作用下发生形变时，某些对应的表面上产生异号电荷的现象。在这个过程中没有外加电场的作用，仅仅是由于形变使材料的电极化状态发生改变而产生电荷，实现了机械能到电能的转换。而且压电效应是可逆的，即仅仅在电场作用下压电材料也会产生形变，实现电能到机械能的转换，这一现象被称为逆压电效应。压电材料具有较强的正、负压电效应，既可作为传感器又可作为驱动器。

1.4 纳米碳复合材料

根据纳米碳材料(Nano-carbon composites)的驱动原理，分为电热致动驱动、光致驱动和湿度致动驱动。由于光致驱动的驱动频率很低，不适用水下机器人的驱动要求。另外，湿度驱动不适用水下环境。所以下面仅介绍电热致动驱动纳米碳复合材料。

电刺激的驱动是最常见的驱动，它可以把电能转换成机械能。对于碳纳米管的电热致动驱动，Baughman等人^[2]在1999年就对驱动的原理做了探究。在电解池溶液中，加外在电压对单壁的碳纳米管纸进行周期性的电化学充放电，碳纳米管薄膜层管束表面中的Na⁺与Cl^-可以中和外加电压向碳纳米管中注入的电荷，从而两边碳纳米管薄膜中间的长度平衡被打破，导致其发生显著的量子伸缩效应，使得整个驱动器相应的向左或向右摆动。陈韦等人^[3]在2014年设计了一种基于纳米管和石墨烯的能在空气中稳定存在的柔性电机械离子型驱动器。碳纳米管和石墨烯离子型驱动器是由两个碳纳米电极层与夹在两电极之间的聚合物电解质层通过热压形成的类“三明治”结构如图 4(a)，是一种新型纳米分层结构电极。在外加电场的作用下，阴阳离子向两边的电极移动，由于阳离子的半径大于阴离子，使得驱动器向阳极弯曲，如图 4(b)。

1.5 四种智能材料的性能比较

根据上文介绍可知，四种智能材料的驱动机理是有区别的，因此由四种材料做成的驱动元件的驱动特点和性能也会有所不同。表 1大致描述了上述四种智能驱动材料的一些性能参数，从表中的数据也可以大概总结出四种材料的特点。

SMA材料作为驱动器，其优点主要有：只需要较低的电压就能实现驱动，输出应力大；缺点是：驱动频率过低，续航较差。这是由于SMA的形变一般是通过加热到一定温度来实现的，散热时间长和能耗高，所以不适用于高频动作。由于输出应力较大，游动速度和推力大，同时能耗较高，续航时间也较短。

ICPF材料作为驱动器，优点主要有：需要的驱动电压小，能量转换率高，能耗小，续航时间长；缺点是：采用低电压驱动，输出功率很小，尽管能量的转化效率高，但由于有效功率依然较小，所以游动速度和推力相对较小，必须在潮湿的条件下才能实现驱动。同时由于对驱动电源的电压和功率的要求较小，所以容易实现自带电源的无缆自主游动。

PZT材料作为驱动器，优点主要有：响应速度快，输出力大；缺点是：需要驱动电压大，应变小。由于应变过小，所以作为驱动器时需要传输机构来放大，所以不易实现自带电源的无缆自主游动，也在一定程度上增大了机器人的体积。

纳米碳复合材料作为驱动器，优点主要有：驱动所需电压较低，材料应力较低，而且使用寿命长，在空气中稳定循环次数高达500 000次。缺点是最大应变不大，若作为水下机器人驱动器，则游动速度慢。

2 基于智能材料驱动的机器人

就目前国内外智能驱动器的发展情况，还没有发现纳米碳复合材料作为驱动成功应用在水下仿生机器人上，文章对目前国内外已经研究成功的三种不同驱动材料的仿生机器人进行介绍，为方便比较驱动器的驱动效率，我们采用水下机器人的游动速度和游动方向上的尺寸的比值^[2](每秒游动几个身体长度，BL/s)作为参考标准。

2.1 采用SMA驱动的水下机器人

哈尔滨工业大学的王振龙等人利用SMA丝设计并制造类了基于柔性鳍单元的微型机器鱼样机^[7-8](见图 5)，该驱动器是利用多SMA丝组合实现柔性驱动。弯曲角度理论分析表明，这种柔性鳍单元在SMA丝收缩应变很小时即可达到较大的转角。该机器鱼的样机的长宽高分别为146、17和34 mm，质量为30 g。实验结果表明，该样机在水中能实现最大游动速度为112 mm/s(0.767 BL/s)，并能够实现的最小转动半径为136 mm，体现了较好的性能。它模拟了大多数水下生物的游动基本动作——柔性弯曲，具有结构简单，动作无声，输出力大，无相对移动的机械部件，可移植性好，隐蔽性好等优点。可在该单元上安装鳍等被动部件增大控制面，实现无声推进，模拟鱼高效游动时，在尾鳍末端泻出一系列涡流环，形成卡门涡街，提高推进效果，这种推进方式在仿生水下机器人特别是微小型水下机器人等领域有着广泛的应用前景。但是此种机器人样机是通过有线控制来实现各种动作，而且采用的控制是开环控制，同时尾鳍的结构形状也没有进行优化设计，未来可以在机器鱼上添加传感器等材料并实行闭环控制，并对尾鳍形状进行优化设计，提高机器鱼的性能。

美国佛吉尼亚理工学院的Villanueva A等人受水母启发研制的水母机器人样机^[9]，使用的是一种基于SMA驱动器驱动机器人运动(见图 6)。该驱动器每个单元由一个弹簧钢和SMA丝嵌入在硅胶表皮中制作而成，英文简称为BISMAC，它由固定在一侧的SMA丝驱动产生弯曲变形，靠弹簧钢自身弹性回复。这些单向摆动单元同时动作，使得机器鱼体产生收缩，挤压内部腔体的水产生喷水动作，进而完成推进过程。机器人的外壳直径为133 mm，高度为82 mm。该机器人的最大速度在驱动频率为0.5 Hz条件实现，速度为54 mm/s(0.659 BL/s)。

哈尔滨工业大学的王扬威等人受乌贼启发，利用SMA材料作为驱动元件，设计出了一种利用喷射推进机构进行推进运动的仿生机器人^[10]。高飞等人在此种机器人的基础上进行了改进，设计出了一种推进速度更高、性能更好的机器人(见图 7)^[11]。该机器人使用SMA丝和硅胶材料相结合作为仿生外套膜，用来模仿乌贼的运动模式，通过对SMA丝的加热冷却控制机器人腔内通过喷嘴向外喷水实现机器人的运动。该机器人长宽高分别为250、160和70 mm，在驱动电压为25 V情况下，机器人能产生平均为0.14 N的推动力，实验结果表明在驱动频率为0.83 Hz条件下，机器人能达到的最大速度为87.6 mm/s(0.35 BL/s)。

2.2 采用ICPF驱动的水下机器人

哈尔滨工程大学的苏玉东和叶秀芬等人研究的一种可用于微型机器鱼实时控制的ICPF的驱动模型^[12]，提出采用多段ICPF推进器拟合鱼的尾部摆动轨迹来提高推进效率方的方法，并且优化了尾鳍被动鳍的形状，采用鳍条结构提高微型机器鱼的效率，有助于尾鳍形成更好的涡流来提高微型机器鱼的推进性能，提高了机器鱼的游速。他们研究的微型机器鱼最终达到的指标有：前进速度最高36 mm/s(0.36 BL/s)，上浮速度最高22 mm/s，下潜速度最高17 mm/s。有效载荷5.5 g。机器鱼长99 mm，能够遥控和自主游动，续航时间30 min(见图 8)。跟此前的同类研究相比，游速和续航时间是领先的。这种水下机器人在尾部驱动器的结构上可以进一步优化，并可以采用ICPF的自传感特性，研究利用ICPF驱动器自身同时作为传感器来实现闭环控制。

美国弗吉尼亚大学的Zheng Chen等人模仿蝠鲼胸鳍设计出一种仿生机器人^[13]，该机器人使用放置于PDMS(聚二甲硅氧烷)薄膜中的四个IPMC薄片作为驱动元件(见图 9)。该机器人样机的外形尺寸中，长为80 mm(不包括尾部长度)、宽180 mm、高为25 mm，质量为55.3 g。对该样机进行游动测试，可以测得样机的最大游动速度是在电压为3.3 V，频率为0.4 Hz时获得，速度为4.2 mm/s(0.053 BL/s)。机器人在胸鳍的外形优化和IPMC薄片的材料性能上还有很大的提升潜力，同时对于IPMC薄片的控制可以进一步优化，使胸鳍能够产生更大的推进力，提高机器人的推进速度。

天津理工大学的樊成、魏祥等人利用ICPF材料作为驱动器设计了一种无线智能仿生鱼型机器人^[14]，该机器人的样机长宽高分别为14、6、8 cm，重量为200 g，采用ICPF薄膜作为机器人的鱼尾(见图 10)。同时，在鱼眼和鱼嘴处内嵌3路红外避障传感器作为机器人的导航系统，该机器人续航时间长达3 h，可实现在水中无噪声前进、弯曲和避障等运动模式，且可以实现在线编程和实时充电。在驱动电压为9 V，驱动频率为1 Hz的条件下，该样机的最大游动速度为10.02 mm/s(0.07 BL/s)。该机器人存在的较大问题就是游动速度过慢，在游动速度方面还有很大的提升空间。

2.3 使用PZT材料驱动的水下机器人

韩国建国大学的Seok Heo等人使用两个压电复合材料薄膜、一个支架、两个行星齿轮和联轴器链接作为驱动元件，设计出一种仿生机器鱼样机^[15]，该样机长宽高分别为270、50和65 mm，质量为550 g，该机器鱼在工作电压频率为0.9 Hz情况下产生最大的推力为0.007 1 N，最大游动速度为25.19 mm/s(0.093 BL/s)。

韩国建国大学的Quang Sang Nguyen等人在之前研究基础上，使用四个压电复合材料薄膜作为驱动元件，经过一个联动装置驱动鱼尾摆动^[16]，该机器鱼长宽高分别为400、150和40 mm(见图 11)。在机器鱼样机游动的实验中，使用0.5~2 Hz频率的电压对机器鱼游动进行测试，实验结果表明在鱼尾摆动频率为1.4 Hz的条件下，鱼尾推动力可达0.004 8 N，机器鱼可以产生32 mm/s(0.08 BL/s)的游动速度。后来，他们改进了联动装置的结构，使用三维软件CFD对模型进行模拟仿真^[17]，并经过实验验证在3.7 Hz电压驱动条件下可以实现鱼尾漩涡的完全分离，此时鱼尾的推进力最大，可达到0.007 2 N。

2.4 SMA和ICPF共同驱动的仿生机器人

由于SMA材料和ICPF材料作为驱动器具有各自的优点，可以把两种材料结合起来作为机器人的驱动器。日本香川大学的郭书祥等人研究了一系列采用SMA和ICPF混合驱动的水下机器人。其中的仿水母机器人^[18-19]主要是将SMA材料放置于机器人的身体内部(见图 12)，ICPF材料作为水母机器人的触角，通过控制SMA的形状改变机器人的形状，实现水母机器人内部水的吸收与排放进而达到驱动机器人的目的，ICPF作为机器人的触角配合SMA驱动器运动实现机器人的姿态控制。

3 三种智能驱动材料驱动的机器人的游动效率分析

由于材料驱动机理的不同，文章中介绍的三种智能材料作为驱动器设计的水下机器人的结构和驱动原理都有各自的不同。水下机器人的游动速度是衡量机器人性能的一个主要因素，形状结构的不同很大程度上影响机器人的游动速度，为方便综合比较三种驱动材料的驱动效率，我们可以采用水下机器人的游动速度和游动方向上的尺寸的比值(每秒游动几个身体长度，BL/s)作为这一比较依据(见图 13)。从图 13中可以看出，使用SMA材料作为驱动器的水下机器人的游动速度是三者中最高的，ICPF和PZT的作为驱动器的机器人游动速度相对较低。同种材料相比，增大机器人的体积并不能够提高机器人的驱动效率。

从图 13中能够看出，SMA驱动的水下机器人游动速度最大，如果想要设计推进速度较大的机器人，可以优先考虑SMA材料；ICPF材料驱动的机器人体积最小，因为同样尺寸的材料，变形率ICPF是大于SMA的，更是远大于PZT，因此对机器人微型化要求更高的，可以优先考虑ICPF材料；采用PZT材料驱动的机器人体积最大，这是因为PZT材料变形量太小，作为驱动器需要一个放大机构，一定程度上增加了机器人的尺寸，目前PZT材料在水下机器人的应用方面相对还是较少。

4 结语

本文介绍了SMA、ICPF、PZT和纳米碳复合材料四种材料的驱动机理和各自的特点，列举了SMA、ICPF和PZT三种材料作为驱动器的仿生机器人目前在国内外的研究现状，并对几种机器人做了一定的比较。

智能材料作为驱动机构，应用于水下机器人中，具有结构简单、体积小、无声推进、功重比高等特点。各国的研究人员充分利用智能材料的驱动优势，采用其他方法解决其存在的缺点，在水下仿生机器人智能驱动这方面取得了大量的研究成果。但是，和传统的电机驱动相比，智能材料驱动器的推进速度还有很大的劣势；由于结构自身特点，在驱动和控制方式的研究上还不够成熟。在今后的研究中，对于不同的智能材料要充分利用其优势，选择更加优秀的设计方案，设计出更好的驱动方式，提高驱动速度；同时，在智能控制方面也要结合材料自身性能，利用材料自身的传感特性，设计出更好的控制方式。