全球好！今天来来了解一篇对于基于合成射流的微型模块化可重构水下机器东谈主的商讨——《Miniature Modular Reconfigurable Underwater Robot Based on Synthetic Jet》发表于《Advanced Science》。水下环境复杂多变男同 av，传统机器东谈主濒临诸多挑战。本商讨提倡新有联想，通过合成射流旨趣，联想特有施行器与开通模块，袭取多种竖立战略，竭力于管理现存问题，展现出超卓的性能与后劲，为水下机器东谈主本事带来新打破。

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一、商讨配景

（一）模块化可重构机器东谈主的需求

在当代社会，机器东谈主在各个限制发达着不可或缺的作用。可是，传统单体机器东谈主频繁针对特定任务联想，在不可估量和非结构化环境中，机器东谈主需要具备种种化的开通智商和功能性情，以兴隆不同任务需求。举例，在海洋探索中，机器东谈主可能需要在不同地形和环境要求下施行任务。此外，机器东谈主在故障时需实时设备，以确保任务可靠性，这就促使了模块化可重构机器东谈主的发展。

（二）水下环境对机器东谈主的挑战

水下环境对机器东谈主提倡了更为严格的要求。在褊狭或浅水的水生环境中，如珊瑚礁或浅滩区域，机器东谈主的开通可能会受到礁石、珊瑚等费劲物的费劲，同期电缆或其他贯串模样也会司法其开通畛域。这就要求水下机器东谈主具有袖珍化和集成化的特色。此外，水下环境的鼓励步骤和密封要求使得机器东谈主的模块化联想愈加复杂。

（三）现存水下鼓励战略的不及

现在的水下鼓励战略包括惯例的螺旋桨鼓励，如在大型自主水下飞翔器（AUV）中平日应用，但螺旋桨不适用于褊狭空间；仿生鼓励步骤，如体尾鳍（BCF）和中对鳍（MPF）鼓励，其机制复杂，难以完结模块化联想和开通司法；射流鼓励器天然师法了头足类动物的开通旨趣，但传统射流鼓励器需要孤立的收支口，结构复杂。而合成射流当作一种新的鼓励步骤，仅需一个喷孔，基于高频小振幅振动完结开通，具有结构紧凑、反映快、司法浮浅和制酿资本低等优点，但现存商讨中的激励源存在问题，如压电材料、介电弹性体和传动机构等需要高激励电压和稀奇信号，无法排斥线束管制，难以完结司法系统集成。

（四）商讨念念路

针对上述问题，商讨东谈主员提倡了基于合成射流鼓励机制的模块化管理有联想，开发了一系列集成模块化可重构机器东谈主。在联想历程中，从合成射流施行器、单开通模块、组合战略到应用出息进行了全面商讨。

二、合成射流机制与合成射流施行器联想

（一）合成射流施行器的紧迫性

合成射流施行器是开通模块的关键鼓励组件，它径直决定了模块的开通结束和举座尺寸，因此其联想对于通盘这个词模块化可重构机器东谈主系统至关紧迫。

（二）施行器类型及结构

商讨东谈主员联想了底部和侧面两种射流施行器。两种施行器均袭取防水偏心旋转质料（ERM）振动电机当作激励源。底部射流施行器的喷腔呈圆锥形，喷孔位于底面，在振动源的径直激励下可产生垂直于底部的射流；侧面射流施行器的喷腔访佛斜圆锥形，喷孔在侧面，用于产生垂直于侧面的射流。

（三）施行器职责旨趣

ERM电机通过电机底座安装在薄板中心，与喷腔固定在全部。电机在直流电源运行下，偏心质料旋转产生椭圆振动，其离心力F(t)抒发式为

（其中是F0离心力振幅，m是偏心质料，d是偏心距离，w是旋转速率），该离心力在水和缓垂直标的产生的简谐振动为

薄板在电机激励下产生不同振动神志，实验发现第一和第四形式具有褂讪的吸排智商，可有用应用于合成射流运行。通过实验和模拟，选拔薄板尺寸为Φ30mm×0.25mm，使第四共振频率为228.35Hz，与电机频率匹配。

基于此进行流体-结构相互作用模拟，不雅察到射流施行器在一个周期内的吸排悦目和褂讪的涡环开通。

通过粒子图像测速（PIV）步骤不雅察合成射流的发展历程，测量射流施行器的净力约为7mN，可产生有用鼓励结束。

三、多目田度合成射流开通模块联想

（一）模块结构与参数

开通模块联想为具有多目田度自鼓励智商，袭取访佛立方体外不雅，尺寸约为48mm×38mm×38mm，质料约79.0g。其里面集成了电源、司法和通讯电子系统，完结而已司法。通过合理的结构联想和组件散布，完结了重力与浮力的均衡，使模块偶然悬浮在水中。

（二）射流施行器布局与开通模样

在模块的中间框架上固定三个射流施行器，分袂完结模块在x、y、z标的的开通。底部射流施行器具于模块的高潮开通，两个侧面射流施行器具于平面开通。

单侧侧面射流施行器职责时，产生的鼓励力会使模块围绕质心旋转；两侧面射流施行器同期职责时，射流吞并产生线性力，推动模块直线开通。底部射流施行器职责可完结模块高潮开通，速率可达28.7mm/s，关闭时模块自动下落。

通过流体-结构相互作用模拟直线开通情况，实验测得模块最大旋转速率约3.3rad/s，最大线性速率约70.7mm/s，且开通速率在1.3-3.3V电压畛域内褂讪，电压降至约1.0V时速率一忽儿降为0。此外，模块还能完结受控开通，绕过费劲物到达观念位置。

（三）开通模块的持久性测试

在实验中，将射流施行器的激励电压竖立为3.3V，电板容量约为200mAh。测试结束标明，单射流施行器职责时，模块持久性约85min；两射流施行器同期职责时，持久性约50min；三射流施行器同期职责时，持久性约30min。由于电压稳压单位的联想，运行性能在通盘这个词历程中相对褂讪，临了阶段陡然下落。

四、不同模块的竖立战略

（一）模块间的耦合步骤

多个开通模块或与中间模块贯串时，袭取磁耦合步骤。这种步骤结构浮浅紧凑，具有致密的自瞄准智商，偶然简化对接历程，提高贯串精度。同期，对贯串的可靠性进行了评估。

（二）同质开通模块的贯串竖立

两个、三个或四个开通模块贯串时，可完结从点到线、角和环的扩张。这些竖立加多了机器东谈主系统的开通冗余，提高了举座的敏捷性和鲁棒性。举例，当某个开通模块损坏时，不错便捷地进行替换。

（三）与中间模块的贯串竖立

开通模块可与中间模块（功能模块或赞助模块）贯串，中间模块的不同联想可权贵扩张组合有联想和应用后劲。举例，袭取浮浅立方中间模块时，有对角和线性两种基本竖立，对角竖立更紧凑，线性竖立扩张性更好。

与赞助模块组合时，可凭据物体神志进行诊疗，如对于球体或圆柱体等光滑名义物体，开通模块可与赞助模块组合成环完结运载，并通过赞助模块优化自体刻画，提高开通性能。

对于不同神志和尺寸的中间模块（如长方体或棱柱体），其竖立模样如图所示。

五、同质开通模块间的竖立实验

（一）双开通模块的开通战略

双模块竖立中，通过在非射流中间框架名义交代小永磁体完结模块贯串。该竖立下的组合机器东谈主系统具有两个底部射流施行器（BJAs）和四个侧面射流施行器（SJAs），在水中的开通智商比单模块更敏捷。激励不同的侧面射流施行器可完结顺时针或逆时针旋转开通，由于臂长不同，产生的力矩不同，可分为主（SJA1L和SJA2R）和次（SJA1R和SJA2L）射流施行器，分袂激励时旋转速率不同。同期激励两侧面射流施行器可完结直线开通，最开放通速率约77.6mm/s，与单模块开通速率特殊，且开通速率在约1.0V电压时急剧下落。

（二）四开通模块的开通战略

四模块竖立中，开通模块相通通过永磁体贯串，贯串后的机器东谈主系统尺寸约为96mm×96mm×51mm，具有四个底部射流施行器（BJA1-BJA4）和八个侧面射流施行器。八个侧面射流施行器协同职责，可完结四个褂讪状况的顺时针和逆时针旋转，单个射流施行器鼓励时旋转速率约1.6rad/s，四个射流施行器同期鼓励时可达2.5rad/s。

在直线开通方面，可沿平面内通盘角落标的和对角线标的生动出动，如同期激活一侧的两组射流施行器可完结角落标的的直线开通，速率约81.4mm/s；沿对角线标的的线性开通有两种状况，对角对称射流施行器同期鼓励或单个角模块鼓励均可产生对角线直线开通，速率分袂约为63.0mm/s和62.1mm/s。

不同组合的射流施行器激励时，四开通模块系统在八个标的的直线开通轨迹体现了其高敏捷性。但模块数目加多可能会因质料和阻力加多而缩小开通参数，不外褂讪性和鲁棒性的普及可弥补这一残障，履行应用中应凭据需求细则模块竖立。

六、功能模块竖立实验

（一）功能模块考据实验

愚弄与开通模块尺寸相似的浮浅立方中间模块，考据机器东谈主在水中的运载和检测等基本功能。

双开通模块袭取对角竖立推动可替换中间模块，中间模块可凭据需求联想为不同功能模块，如物体运载模块和图像网罗模块。在运载实验中，将20g圭臬砝码放手在运载模块内，双开通模块可推动其完结前进、后退直线开通温存时针、逆时针旋转开通，最大直线速率分袂为46.8mm/s和44.9mm/s，最大旋转速率分袂为1.8rad/s和1.5rad/s。在图像网罗实验中，将运载模块替换为图像网罗模块，司法机器东谈主绕过费劲物并复返，图像网罗模块记载历程。

（二）不同竖立的特色

对角竖立生动性高，可完结多种开通；线性竖立虽不可完结后退直线开通，但因其细长尺寸可通过褊狭通谈，这体现了不同竖立在不同场景下的适用性。

七、商经营断

（一）合成射流鼓励的上风

本商讨证据了合成射流旨趣在水下机器东谈主模块化和袖珍化联想中的上风。合成射流鼓励机制浮浅，无需复杂的鼓励机构，便于模块化联想和与其他模块贯串；其激励有联想浮浅，射流结构紧凑，有意于在小尺寸下完结通盘这个词机器东谈主的集成。通过与其他水下机器东谈主的开通速率比拟，本商讨中的开通模块在尺寸和开通速率方面性能优厚。

（二）模块化可重构机器东谈主的性情体现

该模块化可重构机器东谈主系统充分体现了高合适性、高鲁棒性和低资本的性情。多模块组合的冗余性使单个模块故障对举座功能影响小，仅导致参数下落，且苟且开通模块可替换，保证了系统在应用中的可靠性；通过不同模块组合可合适不同开通环境，功能模块可按需替换，只有耦合接口一致即可；开通模块袭取3D打印制造，缩小了单个模块资本，模块替换也缩小了系统保重资本。

（三）濒临的挑战与矫正标的

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可是，该机器东谈主系统在进一步应用中仍濒临挑战。开通模块因尺寸司法，持久性不及，无法孤立永劫候职责。后续商讨讨论与水面平台配合，实时监测开通模块的持久性和与平台的距离，低电量时发送回收信号，完结模块的回收、充电或袭取单独的浮力或充电模块精准竖立浮力。此外，刻下袭取的永磁体耦合机制无法完结自傲构，可袭取电磁贯串步骤并纠合位置和姿态传感器，愚弄磁铁的自瞄准智商完结自动贯串，还可在水面平台上安装赞助设备协助模块贯串。改日，将矫正开通模块、开发更多功能模块（如水质料传感和声息网罗等），优化司法战略，使机器东谈主系统在水下环境中发达更大作用，完成从环境探索到数据网罗再到褊狭空间永远监测等一系列任务。

八、全部来作念作念题吧

1、模块化可重构机器东谈主的主要上风不包括以下哪一项？

A. 高合适性

B. 高资本

C. 高鲁棒性

D. 可凭据需求改革结构和功能

2、合成射流施行器中，哪种振动形式能有用应用于射流运行？

A. 第一和第二形式

B. 第二和第三形式

C. 第一和第四形式

D. 第三和第四形式

3、开通模块中，完结高潮开通的是哪个部件？

A. 单侧侧面射流施行器

B. 两侧侧面射流施行器

C. 底部射流施行器

D. 中间框架

4、多个模块间贯串袭取的磁耦合步骤具有以下哪种优点？

A. 结构复杂但贯串巩固

B. 自瞄准智商强，简化对接历程

C. 无需讨论贯串可靠性

D. 仅适用于大型模块贯串

5、在双开通模块竖立中，激励哪个射流施行器可使组合机器东谈主系统产生顺时针旋转开通？

A. SJA1L或SJA2R

B. SJA1R或SJA2L

C. SJA1L或SJA2L

D. SJA1R或SJA2R

6、在功能模块竖立实验中，运载实验袭取了哪种模块竖立？

A. 线性竖立

B. 对角竖立

C. 环形竖立

D. 立时竖立

参考文件：

Wang D男同 av， et al. Miniature Modular Reconfigurable Underwater Robot Based on Synthetic Jet. Adv Sci (Weinh). 2024 Oct;11(39):e2406956.