本文由Aysha A. Samra Alshehhi、Costanza Armanini、Anup Teejo Mathew、Daniel Feliu-Talegon和Federico Renda共同撰写。第一作者及通讯作者Aysha A. Samra Alshehhi所属机构为哈利法科学技术大学机械工程系及迪拜未来实验室机器人实验室。其他作者分别来自纽约大学阿布扎比分校人工智能与机器人中心、哈利法科学技术大学以及哈利法大学自主机器人系统中心。该研究以论文形式《Trident: A Multi-Functional Soft Appendage for Underwater Locomotion and Grasping》发表于IEEE Robotics and Automation Letters期刊的预印本，时间为2024年11月。

该研究属于机器人学领域，具体聚焦于水下软体机器人（Soft Underwater Robots）的设计、建模与应用。研究的背景源于对能够模仿海洋生物（如章鱼、水母、鱼类）运动与适应能力的柔性机器人的需求。这类机器人通常由硅胶、橡胶等柔性材料制成，能够改变形状、在复杂环境中灵活导航，例如穿梭于狭窄的水下洞穴、珊瑚礁和沉船之中，并且因其柔软特性，对脆弱的海洋生态系统和生物伤害风险较低。软体机器人的一个关键优势在于其“具身智能”，即将传感、驱动和控制集成于其柔性与可变形的结构中，使其能够像生物有机体一样自适应地响应环境刺激，仅需极少外部控制即可完成复杂任务。

尽管已有一些研究尝试开发具备多功能的软体水下机器人（例如模仿章鱼，兼具移动和抓取能力），但据作者所知，现有的多功能解决方案均未模仿鞭毛的旋转推进机制。旋转推进器（如基于鞭毛的螺旋桨）因其能利用简单的旋转软推进器机制产生连续推力，非常适合流体环境。因此，本研究旨在填补这一空白，开发一种既能可靠游泳又能进行精细自适应抓取的多功能水下机器人模块。其目标是为水下探索、环境监测和海洋研究提供一种结合软材料灵活性与刚性结构强度的多功能解决方案。

研究的详细工作流程可分为几个关键步骤：1) 模型引导的设计与仿真优化；2) 基于仿真结果的肌腱路径表征；3) 机器人的详细设计与制造；4) 原型机的实验演示与验证。

首先，在模型引导设计阶段，研究以团队前期开发的软体螺旋桨优化设计为基础。该螺旋桨由两个主要软部件构成：“钩部”（hook，扭转刚度高，用于传递电机旋转）和“丝部”（filament，柔软的锥形长附件，与水相互作用形成螺旋形状产生推力）。本研究提出的新型机器人“Trident”是一种混合刚柔结构的支链式机器人，通过将三个上述软体模块与集成肌腱（tendon）连接而成。研究使用SoroSim工具箱（一种基于MATLAB的GUI工具箱，实现了用于混合刚柔系统建模的几何可变应变模型）对Trident进行建模。模型包含了流体动力学（阻力-升力、浮力、附加质量）以及用于模拟抓取任务的接触模型。接触模型将鞭毛离散化为球体，采用基于渗透深度和相对速度的Kelvin-Voigt接触力模型和库仑摩擦模型来计算接触力，并将该模型作为自定义外力集成到SoroSim中。

通过仿真，研究比较了单、双、三鞭毛配置在抓取和推进性能上的差异。抓取仿真显示，单、双鞭毛设计无法有效抓取球形目标，而对称的三鞭毛设计（即Trident设计）可以成功抓取。在推进性能仿真中，对三种设计施加恒定的90转/分钟角速度，结果显示Trident设计达到了更高的稳态速度和更大的推进力。这初步验证了三鞭毛支链结构在实现抓取和提升推进性能两方面的优势。

其次，在肌腱路径表征阶段，研究旨在优化肌腱在鞭毛基部的布置，以增强抓取功能。考虑的关键设计参数是肌腱在鞭毛基部横截面上的位置，即其距横截面中心的距离（d）。研究探索了该距离的不同取值（d = 0.10, 0.25, 0.50, 0.75, 0.90 rf，其中rf为鞭毛头部横截面半径），同时结合不同的肌腱张力（T = 5至20 N）和不同大小的目标球体半径（Rs = 8至20 cm），进行了大量的仿真组合。

研究定义了两种衡量有效抓取的结果：选项一是最大化接触面积（即最大化所有接触点的时间积分），旨在提供一种“紧密”的抓取，适用于中等尺寸物体，可实现形封闭（form closure），防止滑脱；选项二是最优化物体平衡（即最小化施加在物体上的所有合力的总和），类似于捏取（pinch grasping），接触点少，力平衡，适用于小而精致的物体，避免因过度接触或压力造成损坏。仿真对所有参数组合进行评估，并为每个目标球半径和距离d的组合，筛选出对应上述两种最佳结果的肌腱张力。最终，汇总所有球体尺寸的结果，计算每种距离d下的总合力和总平均接触点。表征结果显示，当d = 0.50 rf（即肌腱位于鞭毛基部半径的中点）时，能够同时实现较小的合力和较大的接触面积，因此被确定为最佳肌腱布置距离，并用于后续的原型制造。

第三，在设计制造阶段，研究解决了将旋转推进与肌腱抓取结合的核心挑战——防止连续旋转的模块导致肌腱缠绕旋转轴。解决方案是在驱动系统中引入一个旋转接头（swivel mechanism）来解耦肌腱两端的旋转。Trident的最终系统主要由三部分组成：1) 支链软鞭毛：基于之前优化的几何参数和确定的肌腱路径（d=0.50 rf）单独制造每个硅胶模块，然后组装。制造采用硅胶模具成型工艺，内部预置3D打印的钩部、圆盘、尼龙管（作为肌腱通道）和肌腱。2) 主体：包含两个丙烯酸罐体。罐体1包含一个中空传动轴，将旋转传递给鞭毛，内部有一个可滑动的圆盘作为肌腱的锚定点。罐体2容纳驱动电机：一个直流电机（Pololu金属齿轮电机，用于产生旋转运动）通过齿轮箱（包含1:1正齿轮，将电机位置从中心偏移以便肌腱通过）驱动中空轴；一个舵机（Dynamixel MX-28AT，用于拉动肌腱）通过滑轮和上述旋转接头连接到肌腱。旋转接头解决了缠绕问题。3) 漂浮系统：由聚苯乙烯泡沫、铝制夹具和塑料容器组成，用于平衡浮力、防止主体因鞭毛旋转扭矩而自转、确保直线运动，并作为容纳电子设备（Arduino Uno、电机驱动器、Arbotix-M控制器、蓝牙收发器、电池）的防水舱室。

第四，在实验演示阶段，研究分别对Trident的移动和抓取功能进行了测试。移动实验：将带有漂浮系统的完整模块浸入水箱，通过蓝牙控制直流电机以30、60、90转/分钟的速度旋转。使用GoPro记录运动，测量到的移动速度分别为每秒0.053、0.087和0.14倍体长（体长BL=0.4米）。仿真结果在调整机器人阻力系数以匹配实验观测的稳态速度后，显示的鞭毛螺旋形状与实验观察定性相符。抓取实验：在不使用漂浮系统的情况下，将Trident垂直定向，控制舵机拉动肌腱来抓取池底物体。实验观察到的抓取形态与基于相同模型的仿真结果定性一致，存在的偏差归因于实际目标物体的非均匀形状、模型中未考虑的目标变形以及所使用的模型参数。

研究得出的主要结论是：这项工作成功解决了在单个软体水下模块上结合抓取和移动能力的挑战。通过开发新型的、基于鞭毛的支链结构多功能模块Trident，并经过实验验证，证明了其概念可行性。Trident将可靠的推进性能与精细的自适应抓取能力融为一体，使其能够在动态环境中实现多功能操作。

该研究的价值体现在多个层面。科学价值：提出并验证了一种创新的混合刚柔支链机器人架构；将几何可变应变模型与定制的接触模型结合，为多功能软体机器人的设计和性能预测提供了强大的仿真工具；通过系统的参数表征，揭示了肌腱布局对抓取策略（最大化接触面积 vs. 最优化力平衡）的影响，深化了对软体抓取机理的理解。应用价值：Trident模块安静的操作方式使其适合用于生态监测；其柔软的抓取器使其能够适应不同形状和尺寸的物体，适合用于采集精致的海洋样本。这种多功能一体化设计简化了系统复杂度，提升了任务适应性。

本研究的亮点在于：1) 创新性设计：首次将鞭毛旋转推进机制与多分支抓取功能集成于一体，提出了“Trident”这一独特的支链式混合刚柔机器人构型。2) 模型驱动的设计与优化：全程采用高保真度的GVS模型（通过SoroSim实现）进行仿真指导，从验证三鞭毛构型优势到优化肌腱布局，减少了试错成本，提高了设计效率。3) 解决关键工程挑战：通过引入旋转接头机制，巧妙解决了旋转模块中肌腱缠绕的核心工程难题。4) 系统的性能表征：不仅进行了功能验证，还通过大量仿真对抓取性能进行了参数化表征，为类似设计提供了重要参考。5) 完整的闭环研究：涵盖了从建模、仿真、设计优化、制造到实验验证的完整研究流程，论证充分。

此外，研究在讨论未来工作时指出，当前模块可进一步集成传感系统、通过组合多个模块实现多方向机动、增加无线遥测系统等，以构建更先进的机器人系统，使其能够更接近海洋生物进行操作，无需重新调整机器人本体方向即可使用最近的模块进行精细抓取，展现了该平台良好的可扩展性和应用前景。