2024波浪能量采集及自供能海洋無人機電系統(tǒng)研究進展

波浪能量采集及自供能海洋無人機電系統(tǒng)研究進展目錄TOC\o"1-3"\h\u31028 3268121 3303012 9104263 13286954 14海洋環(huán)境傳感器、航行器/機器人等無人機電系統(tǒng)是人類探索與開發(fā)海洋的重要工具,在海洋監(jiān)測[1]、海洋作業(yè)[2]、海洋科考[3]等方面發(fā)揮著重要作用.海洋無人機電系統(tǒng)一般攜帶電池供能,電量有限限制了無人機電系統(tǒng)的作業(yè)時長與范圍.盡管可以布置充電基站或供電船等為無人機電系統(tǒng)補充電能,但是這些設備設施一方面實施難、成本高,另一方面也限制了無人機電系統(tǒng)的靈活性[4].長期有效供能是制約海洋無人機電系統(tǒng)探索深海遠海的瓶頸難題.生能源之一.波浪能的能量密度高于風能和太陽能1~2個數(shù)量級,而且不受晝夜變化影響[5].將波浪能轉(zhuǎn)換為電能,可以實現(xiàn)海洋無人機電系統(tǒng)的自供能傳感、控制與驅(qū)動,有望破解海洋無人機電系統(tǒng)供能瓶頸難題此外隨著化石能源面臨著枯竭和嚴重的環(huán)境問題[6-8],開發(fā)海洋能源能夠緩解能源危的研究進展,討論目前自供能海洋無人機電系統(tǒng)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)并進行展望,為解決海洋無人機電系統(tǒng)長期有效供能難題提供多維度參考,推動自供能傳感、控制與驅(qū)動等技術(shù)的發(fā)展與應用,助力海洋

海洋蘊涵豐富的能源,包括太陽能、風能、波浪能和潮汐能等,與太陽能和風能相比,功率密度大、可持續(xù)性高且分布廣等特點[11],能為海上設備提供動力支持以及大陸電網(wǎng)傳輸電能[12].如表1所示,中國擁有300萬平方千米的海域,波浪能理論儲量為5.74×1011kW[13].發(fā)展波浪能技術(shù)具有廣闊的應用前景和深遠意義.機械能,然后通過機電轉(zhuǎn)換機制轉(zhuǎn)化為電能[14-15].波3個階段,1階段是將波浪能轉(zhuǎn)換為勢能2階段是將勢能轉(zhuǎn)換為動能,最1中國海洋能資源儲量Table1China'smarineenergyresourcesEnergy Theoreticalreserves/kWAvailablewave5.74×5.78×oceanthermal3.66×3.66×tidal1.10×2.18×oceansalinity1.14×1.14×tidalcurrent1.40×4.19×totaloceanenergy 6.11× 9.81×

轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動.Chen等[23]開發(fā)了一種混合波?流(圖2(b)),通過錐齒輪、單向軸承等組合將海面波浪和海下洋流能量同時轉(zhuǎn)換為電能,實驗結(jié)果表明這種混動提高了電力輸出.Overtoppingtype(b)Oscillatingcolumn13

(c)Oscillatingbodytype

度大,Fig.1Threetypesofwavedriving機電轉(zhuǎn)換機制在波浪能量采集中具有重要作用.本節(jié)將基于機電轉(zhuǎn)換機制論述波浪能量采集方法,包括電磁波浪能量采集方法、壓電波浪能量采統(tǒng)中的永磁體與線圈產(chǎn)生相對運動從而發(fā)電[17].慣量扇形質(zhì)量擺集成在海洋浮標中可以有效采集低頻波浪能量15.9V,0.13W[18Li等[19設計了一種全方位波浪能量采集系統(tǒng)通過直立式水平擺結(jié)構(gòu)俘獲波浪能量其輸出電能波形能夠反映波浪狀況,可作為自供能傳感器波浪激勵不規(guī)則、頻率低,一般需要通過機械和輸出電能品質(zhì)[20].Liang等[21]提出了一種具有機械運動整流功能的波浪能量采集器,通過齒條齒輪機構(gòu)和單向軸承組合,將波浪激勵整流為單向旋轉(zhuǎn)]

結(jié)構(gòu)設計對電磁波浪能量采集性能具有關(guān)鍵影響.一般電磁波浪能量采集系統(tǒng)輸出功率較高,但體積較大,結(jié)構(gòu)相對復雜和成本較高.換為電能,波浪直接或間接驅(qū)動壓電材料變形導致電偶極矩變化產(chǎn)生電壓[24].壓電能量采集功率密度較高,尤其設計很靈活,因此,壓電能量采集已經(jīng)成為將機械能轉(zhuǎn)換為電能的主要方式之一[25-26].壓電能產(chǎn)生較大振幅從而輸出較高功率[27-30].Chen等[31]提出了一種壓電波浪能量采集器,由浮體、齒輪升(圖3(a)).Viet等[32]通過彈簧質(zhì)量系統(tǒng)將波浪運動轉(zhuǎn)換為機械振動,然后通過杠桿機構(gòu)放大作用于壓電材料從而發(fā)電.磁力耦合也常用于驅(qū)動壓電懸臂梁.Shi等[33]提出了一種多向超低頻壓電振動能量采集器.波浪激勵球滾動,球滾動驅(qū)動環(huán)旋轉(zhuǎn),環(huán)通過磁力驅(qū)動壓電懸臂梁振動發(fā)電He等[34設計了一種圓柱和錐形浮體結(jié)構(gòu)的壓電波浪能量采集器,浮體低頻上下運動通過Du等[35]在振蕩水柱式波浪能量采集器中采用(圖3(b)),壓電膜在脈動氣壓作用下變形并產(chǎn)生電能Chen等[36開發(fā)了一種壓電波浪能量轉(zhuǎn)換器,由浮體、升頻機構(gòu)和壓(圖3(c))通過柔性壓電膜振動發(fā)電,壓電6倍,從而可以提高waveimputwaveimputgenerationinputtranslationScrewelectromagneticwaveenergyharvesting[22]

Bevelgearmechanicalrectificationelectromagneticwaveenergyharvesting[23]

度高和成本低等優(yōu)點.然而目前壓電波浪能量采集器輸出功率仍然較低.2Fig.2Electromagneticwaveenergy

頻波浪激勵轉(zhuǎn)換為高頻激勵,匹配壓電能量采集器從而提高輸出功率.piezoelectriccantileverbeamsgeartraingeargearairwatercolumngearpiezoelectricgearedgear3壓電波浪能量采集(a基于壓電懸臂梁的波浪能量采集[31(b振蕩水柱式壓電波浪能量采集[35(c基于壓電膜的波浪能量采集方法[36];(d)壓電材料與太陽能水凝膠集成[38]Fig.3Piezoelectricwaveenergyharvesting.(a)Waveenergyharvestingbasedonpiezoelectriccantileverbeam[31];(b)Oscillatingwatercolumnpiezoelectricwaveenergyharvesting[35];(c)Waveenergyharvestingbasedonpiezoelectricdiaphragm[36];(d)Integrationofpiezoelectricmaterialsandsolarhydrogel[38]寬頻波浪能量[37].此外,壓電能量采集設計靈活,比(圖3(d)),可以提高海水凈化速度[38].壓電材料將波浪能轉(zhuǎn)化為電能重新激活水凝膠中的水與非壓電水凝膠海水凈化器相比,23%以上.摩擦納米發(fā)電機(triboelectricnanogenerator,能[39-41].摩擦納米發(fā)電機在低頻工況下表現(xiàn)出更高的能量轉(zhuǎn)化效率,具有高功率密度、高效率、低重量和低制造成本的優(yōu)點[42-43].摩擦納米發(fā)電機具有4種頻激勵但是面對極低頻率波浪激勵工況仍然需要升頻提高機電轉(zhuǎn)換效率Jung等[45設計了一種倍頻0.33Hz波浪頻率下6.67W/m3,并驗證了具備為海洋觀測系統(tǒng)供電的能力.Zhang等[46]

型波浪能量采集器,可以有效俘獲低頻波浪能量.Gao等[47]設計了一種陀螺結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機,用于采集低頻波浪能量.內(nèi)部和外部發(fā)電單元可以在不同方向上獨立運動互不干擾發(fā)電.6m/s2的加速度激勵下,內(nèi)部和外部發(fā)電單元的開路電壓分730V160V.波浪激勵隨機不規(guī)則,很多學者提出了多方向波浪能量采集設計.Wang等[48]提出了一種仿生蝴(圖4(b)),仿生葉片具有阻的頻率下,400V2.9μA的電學響應.Qu等[49設計了一種球形偏心結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機,球殼內(nèi)設置了十二面體結(jié)構(gòu),用于全向波浪能量采集,有效地將不同方向波浪能量轉(zhuǎn)換為電能,并設計了能量管理電路處理和存儲產(chǎn)生的電能.Wen等[50]瓣摩擦納米發(fā)電機和2個花蕊摩擦納米發(fā)電機組成6個自由度的動能.Liu等[51提出一種(圖4(d)),由一個內(nèi)球和一個環(huán)面殼組成,spingsteel 4基于摩擦納米發(fā)電機的波浪能量采集(a)滾筒式摩擦納米發(fā)電機波浪能量采集[45(b)仿生蝴蝶式摩擦納米發(fā)電機波浪能量采集仿生蓮花式摩擦納米發(fā)電機波浪能量采集[50];(d)環(huán)面球摩擦納米發(fā)電機波浪能量采集Fig.4WaveenergyharvestingbasedonTENG.(a)WaveenergyharvestingbasedoncylindricalTENG[45];(b)WaveenergyharvestingbasedonbionicbutterflyTENG[48];(c)WaveenergyharvestingbasedonbioniclotusTENG[50];(d)Waveenergyharvestingbasedontoroidalsphere[51]出電壓及豐富的材料來源等優(yōu)點,且由于摩擦納米發(fā)電機主要由高分子材料制成,具備優(yōu)良的抗腐蝕能力,可以在更小的空間和更簡單的結(jié)構(gòu)中將各種波浪能轉(zhuǎn)換為電能.高分子材料作為摩擦納米發(fā)電機的組成部分可能會對海洋環(huán)境造成污染,采用綠色環(huán)?？山到獾哪Σ良{米發(fā)電機材料,在設計波浪換機制的特性,增加輸出電能使用靈活性和輸出功率[52-54摩擦納米發(fā)電機內(nèi)阻高輸出電壓高、電流小;電磁發(fā)電機內(nèi)阻低,輸出電壓低、電流大.摩擦納米發(fā)電機和電磁發(fā)電機復合常用于波浪能量采集[55].Ouyang等[56]

運動通過電磁感應發(fā)電,并通過磁力耦合作用激勵摩擦納米發(fā)電機接觸和分離發(fā)電.Sun等[57]提出了一種擺動平移復合發(fā)電機采集海岸線上的波浪能(圖5(b))波浪激勵驅(qū)動滑軌中的永磁體滑動電磁感應發(fā)電,同時驅(qū)動多層摩擦納米發(fā)電機接觸和分離發(fā)電.Wang等[58]提出一種拓撲結(jié)構(gòu)的電磁與摩擦納米發(fā)電機波浪能量采集器,摩擦納米發(fā)電機4個腔室通過獨立層模式發(fā)電.電磁發(fā)電機的永磁體嵌入靠近腔壁的折紙上,而線圈設置在腔壁上能夠在寬頻波浪激勵下有效工作Han等[59]提出一種雙面絨和海爾貝克結(jié)構(gòu)的復合發(fā)電機,利用絨毛增強摩擦納米發(fā)電機的性能,海爾貝克增強量采集器復合使用可以提高空間利用率[60].一種基于雙擺結(jié)構(gòu)的復合波浪能量采集器被提出,acrylicsphericalacrylicsphericalCuslideside(a)Hybridwaveenergyharvestingbasedonpermanentmagnetsphere[56]

(b)基于擺動彈簧的復合波浪能量采集(b)Hybridwaveenergyharvestingbasedonoscillatingspring[57]5Fig.5Waveenergyharvestingbasedonhybridelectromechanicalconversion個電磁發(fā)電機、兩個壓電發(fā)電機和兩個折紙結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機,3類機電轉(zhuǎn)換機制合理布置提高了空間利用率[61].壓電能量采集器、摩擦電納米

大應變、最大接觸面積和最大位移的地方,可以充分利用它們在結(jié)構(gòu)空間中的特性[62].幾類波浪能力采集器在相應激勵下的輸出功率或功率密度列與2.2Table2ComparisonofwaveenergyharvestingElectromechanicalconversionPowerLiet1Hz,2005200.66Panet1.5Hz,5064.40.3Liet400~8000.130.21Shiet0.9Hz,706.32Heet141.5Junget0.331170.69Quet2Hz,900.22OuyangetTENG&1Hz,1200.76mW79HanetTENG&1.45.2mW,43.62.02W/m3,16.96注*Note:*meansaveragepoweroraveragepower海域遼闊,長期有效供能是制約海洋無人機電系統(tǒng)探索深海遠海的瓶頸難題.海洋充電基站或供電船等為無人機電系統(tǒng)補充電能,但是這些設備設施一方面實施難、成本高,另一方面也限制了無人機電系統(tǒng)的靈活性海洋蘊涵豐富的能源包括太陽能、風能、波浪能和潮汐能等.太陽能發(fā)電技術(shù)雖然已經(jīng)商業(yè)化發(fā)展較為成熟但太陽能發(fā)電技術(shù)受地區(qū)、晝夜影響較大,同時,

較大的安裝面積,這將在一定程度上增加海洋無人機電系統(tǒng)的體積,不利于小型化.與太陽能和風能等相比,波浪能具有功率密度大、可持續(xù)性高和分布廣等特點.將波浪能轉(zhuǎn)換為電能,可以實現(xiàn)海洋無人機電系統(tǒng)的自供能傳感、控制與驅(qū)動,有望破解海洋無人機電系統(tǒng)供能瓶頸難題.為海洋無人機電系降低對海洋無人機電系統(tǒng)工作的影響,需要兼顧構(gòu)浮標所處的海洋環(huán)境具有風能、太陽能和波浪能等.波浪能量高度集中在海面以及接近海面的水層,而海洋浮標分布的位置正好位于此范圍內(nèi),波浪能更自然地進入海洋浮標.海洋浮標可以高效地采集Wang等[66提出了一種可集成于浮標內(nèi)部的可堆疊摩擦納米發(fā)電機,波浪激勵浮標在水平面上擺動從而推動PTFE小球滾動發(fā)電,能為溫度傳感器、PH傳感器、鹽度傳感器等海洋環(huán)境監(jiān)測傳感器供電.Wang等[67]還提出一種內(nèi)置于海洋浮標的波浪能量采集器實驗數(shù)據(jù)表明波浪能量采集器能1.4W的平均功率,為大多數(shù)小功耗傳感器供能.Liang等[68]設計了基于摩擦納米發(fā)電機用于水位報警的自供能浮標.摩擦納米發(fā)電機發(fā)電單元使用電荷激發(fā)模塊,從而大大增強了球形摩擦納米發(fā)電機的輸出性能,輸出電流和輸出功率可達到15.09mA24.48mW成功實現(xiàn)了自供能水位報警Xie等[69]設計了一種振蕩浮標波浪能量采集器圓柱形浮標倒立安裝俘獲波浪能浮標上下運動驅(qū)動電磁發(fā)電機單向旋轉(zhuǎn)發(fā)電,產(chǎn)生的電能存儲在超級電容中,為跨海大橋健康狀態(tài)監(jiān)測傳感器供電.Zhao等[53提出一種機械智能電磁?摩擦復合波浪能量采集器,如圖6所示,實驗結(jié)果表明,該能量采集器能夠在超低頻下有效工作,6min內(nèi)將0.47F5V,PH值、6自供能海洋環(huán)境傳感器Fig.6Selfpoweredmarineenvironmental

組成.水面浮子在波浪激勵下通過系繩拉扯水下滑翔機,同時水下滑翔機上可翻轉(zhuǎn)機翼發(fā)生翻轉(zhuǎn),產(chǎn)生一直向前的驅(qū)動力.Tian等[70]提出了一種混合滑翔機,混合滑翔機由波浪能和太陽能供能,可根據(jù)不同波浪能量采集器可以安裝在水下航行器/機器人的內(nèi)部或者外部.安裝在外部的波浪能量采集器能獲得較大波浪激勵,但波浪沖擊較大以及導致外部阻力增加.安裝在內(nèi)部的波浪能量采集器具有更高的可靠性和穩(wěn)定性Townsend等[71提出了一種用于水下機器人的波浪能量采集系統(tǒng),波浪激勵框架飛輪陀螺響應實現(xiàn)從波浪能到電能的轉(zhuǎn)換.水下測試表明0.1m的情況下,該系統(tǒng)的最3.58W.換,浮子通過纜繩與自主水下機器人主體相連接,當波浪激勵浮子上下運動時,浮子帶動纜繩驅(qū)動自主水下機器人內(nèi)置的發(fā)電機發(fā)電.實驗表明,水下航行20kmChen等[73]設計了一種裝備在可在俘能模式與機器人模式之間切換,可折疊翼波thewave-poweredunmannedvehiclegeneratorthecable-pulley(a)集成波浪能量采集系統(tǒng)的水下航行器(a)Underwatervehicleintegratedwithwaveenergyharvestingsystem[72]7自供能航行器/Fig.7Self-poweredPTOrectifierstepperPTOrectifiersteppermotorballconnectingguidethree-layer(b)可折疊翼波浪能量采集系統(tǒng)(b)Waveenergyharvestingsystemwithfolding7自供能航行器/(續(xù))Fig7Self-poweredvehicles(continued)

海洋環(huán)境傳感器、航行器/機器人等無人機電態(tài)探測和監(jiān)測、海洋作業(yè)設備設施狀態(tài)監(jiān)測等,有益于海洋生態(tài)保護、海洋經(jīng)濟發(fā)展和海洋權(quán)益維護[74-75].如圖8所示,海洋環(huán)境機電系統(tǒng)根據(jù)能否自,surfacesurfacevehicleoceansignalunderwaterunderwatervehiclebionicunderwaterdeep-seasoftremotelyoperated8Fig.8Unmannedelectromechanicalsystemsinmarine海洋是地球氣候調(diào)節(jié)、碳循環(huán)不可或缺的部分,海洋監(jiān)測對預測大氣變化、可持續(xù)利用海洋資源具有重要作用[77].海洋傳感器可以與船舶、浮標、水下設備和海上平臺集成,收集信息以服務防災[78]、海洋科考[79]、船舶設計及導航[80]、海洋監(jiān)測]等.浮標是指浮在海面上的標志物,傳統(tǒng)上用于警示危險、指引航道.現(xiàn)代浮標與雷達、船舶、衛(wèi)星

一個全球多學科海洋觀測網(wǎng)絡,Argo浮標組成配備了廣泛的生物地球化學傳感器將提光纖傳感器具有抗電磁干擾、耐極端溫度和壓力、重量輕、傳輸速率高、體積小和靈活等優(yōu)點,在海洋環(huán)境和海洋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領域受到廣泛關(guān)注.Shen等[84]研制一種船載光子計數(shù)激光雷達,利用光子計數(shù)技術(shù)實現(xiàn)了高精度后向散射信號測量,具有觀測深層海水光學特性的潛力.Wang等[85]度和深度剖面.通過對光纖光柵傳感器封裝結(jié)構(gòu)的研究,解決了傳統(tǒng)光纖光柵傳感器在測量海水溫度務的理想選擇與剛性傳感器相比它具備更高的靈活性和可靠性,并能自主完成自組裝和自驅(qū)動的功能由于其低能耗的特性軟傳感器在水下環(huán)境中表現(xiàn)出了更為出色的性能,具有廣闊的應用前景[86].署.隨著微/小型電子產(chǎn)品能耗降低,使得海洋能量需求,擺脫電池電量和線纜的限制.無人水面航行器(unmannedsurfacevehicle,USV)是無需或者少量人力干預的水面航行器能靈活布置在海洋不同區(qū)域,具有可靠、快速和機動性強的特點,可以執(zhí)行監(jiān)測海洋參數(shù)、排查魚雷和海岸巡邏等各種任務[87-88],極大地降低了人類風險并

和海流.Wang等[90]設計了一支自主無人水面航行(圖9(b)),每一個無人水面航行器具有規(guī)則形狀利于相互連接,并設計一種十字型推進器進行推進,此設計可構(gòu)成海洋表面移動平臺.近年來,隨著應用環(huán)境愈加復雜,人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)的迅比如,Wang等[93]提出了統(tǒng)一框架有機結(jié)合了路徑規(guī)劃和導航系統(tǒng),可以實現(xiàn)無人水面航行器在受限探討了近端策略優(yōu)化的潛力,使無人水面航行器能通過振動驅(qū)動的運動機制實現(xiàn)兩棲運動,避免了傳統(tǒng)兩棲機器人結(jié)構(gòu)復雜問題.Li等[96設計了一種跨越空中水下的仿生?(圖9(d)).仿生?魚機器人具有被動變形的螺旋槳,0.35s eccentricupflexibleartificialhydraulicrigidsoft9無人水面航行器(a小型自主水面航行器[89(b自主水面航行器艦隊單元[90(c振動驅(qū)動兩棲機器人[95(d仿?魚兩棲機器人[96]Fig9Unmannedsurfacevehicles(aSmallautonomoussurfacevehicle[89(bFleetunitofautonomoussurfacevehicle[90(cVibrationdrivenamphibiousrobot[95];(d)Aremora-likeamphibiousrobot[96]有纜水下機器人,也可稱之為遙控水下機器人(remotelyoperatedvehicle,ROV)是通過纜線與海上操作平臺連接的水下機器人.有纜連接使得水下機器人獲得源源不斷的能源,使其能裝備較大的、需要較高功率的操作設備從而功能更強大比如采集生物樣本、開采海底礦產(chǎn)和繪制海底三維模型等[97].但海上操作平臺也面臨能源補給困難、供能不足的問題,

供能提高其續(xù)航能力減少維護成本Chaloux等[98](圖10(a))通過推進器的強大吸力捕獲魚類.切割有纜水下機器人被研制用于開采位于海底火山附近的塊狀硫化物(圖10(b)),切割有纜水下機器人由位于船舶上的作4m寬刀片切割目標物[99].有纜水下或石油管道(圖10(c))并追蹤石油礦場的石油泄漏、海底天然氣管道的氣體泄漏,保護水下生態(tài)系10有纜水下機器人(a用于魚樣采集有纜水下機器人[98(b切割型有纜水下機器人[99(c探測有纜水下機器人[100(d具有光學定位系Fig.10Remotelyoperatedvehicles.(a)Remotelyoperatedvehicleforfishsampling[98];(b)Cut-outremotelyoperatedvehicle[99];(c)Remotelyoperatedvehiclefordetection[100];(d)Remotelyoperatedvehiclewithopticalpositioningsystem[104]下機器人的可操作性[101].保持線纜拉力使之保持直線狀態(tài)可以避免纏繞[102].Rahimuddin等[103]在有纜水下機器人頂部設置浮力結(jié)構(gòu)在底部加重浮心在機器人良好的穩(wěn)定性.Lund-Hansen等[104]設計了具用于測量和采樣.Xu等[105]提出了用于有纜水下機器人的定點吸附器,提高了有纜水下機器人操作效率.Gladkova等[106]使用里程計平均數(shù)據(jù)推算路徑自主水下機器人(autonomousunderwatervehicle,AUV)是集先進制造技術(shù)、智能材料、水下

導航和決策的水下機器人[107-108自主水下機器人擺脫了線纜限制能探索更深更遠但需要自帶能源裝備或者增加自供能設備來支撐其航行.自主決策的功能使水下自主機器人能適應復雜的水下環(huán)境,提Fernandez等[110]設計了一種自主水下機器人(圖11(a)),可以檢查和探測淹沒的礦井隧道網(wǎng)絡德國智能人工智能中心[111研制了名為“DAGON”的自5個推進器,主要用于創(chuàng)建視覺地圖和即時定位.Iscar等[112]開發(fā)了開源、低成本自主水下機器人的推進器方面進展迅速,具有更強的推進力、機動性以及狹小空間作業(yè)能力.conceptofMAG-presurecaudalendMCM-Doppler acrylicshullbattery acrylicsdomemetallicbraceMCM-11自主水下機器人.(a)礦井隧道探測自主水下機器人[110(b)DAGON[111(c)DaryaBird[115(d)基于線性肌肉調(diào)節(jié)的自主水下機器人Fig.11Autonomousunderwatervehicles.(a)Autonomousunderwatervehicleforminetunneldetection[110];(b)DAGON[111];(c)(d)AutonomousunderwatervehiclebasedonlinearmuscleGu等[113]提出了一種球形自主水下機器人,其具有矢量水射流和螺旋槳推進器的混合推進裝置,混合推力器的最大推力比單推進器增加了2.27倍.Wang等[114]提出了一種盤狀自主水下機器人,其由4個螺旋槳和浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成的推進系統(tǒng)能實現(xiàn)高工作效率和增強續(xù)航能力.Hidaka等[115]設計了一款名為“DaryaBird”(圖11(c))實現(xiàn)了模塊化易于實現(xiàn)多種探測功能,且能在線纜連接的情況下工作.中國科學院沈陽自動化研究所開發(fā)了一類遠程自主水下機器人“Explorer1000AUV”,其有兩個高精度可變浮力系統(tǒng),因此它可以執(zhí)行兩種工作模式:自主水下機器人在一定固定位置進行往復剖面觀測的定點觀測模式,以及自主水下機器航觀測模式[116Wang等[117提出一種用于自主水下(圖11(d))其可驅(qū)動浮力調(diào)節(jié)機構(gòu)和尾部的轉(zhuǎn)向機構(gòu),降低結(jié)構(gòu)的復雜性,增大內(nèi)部可利用空間.

自主水下機器人主要用來執(zhí)行探測任務,傳感器以及探測技術(shù)顯得尤為重要.為了節(jié)省設計中的優(yōu)化時間,從生物中獲取靈感來解決工程問題是較交互性和低成本優(yōu)勢,在海洋環(huán)境具有廣泛的應用仿生機器魚可以通過身體和尾鰭實現(xiàn)游動(圖12(a))[120-121].Zhang等[122]提出兩段尾鰭推進方法,與現(xiàn)有單一尾鰭設計相比,兩段尾鰭推進在穩(wěn)定性和可控范圍方面具有優(yōu)異性能.Li等[123]提出了一種多尾全方位水下機器人結(jié)合了魚類、青蛙、章魚、魚群等不同運動模式.Christianson等[124]提出了一種鰭狀介質(zhì)彈性體致動器的設計,具有驅(qū)動應變大、響應速度快、噪音低和效率高等特點.Shintake等[125]設計了一種基于介電彈性體驅(qū)動器的仿生軟體機器魚,通過身體和尾鰭推進游動.Li等[126]受深海獅子魚啟發(fā),開發(fā)了一種深海軟體機器neckdorsalDEmuscleatjointelectronicinmatrixsiliconefilmflappingcanistersforpowerandelectronicssubsystemsSILsamplingsensorized12仿生軟體機器人.(a)仿生機器魚[121];(b)深海軟體機器人[126];(c)仿生水下多足機器人[130];(d)軟體機械手Fig.12Biomimeticsoftrobot.(a)Bionicroboticfish[121];(b)Deepseasoftrobot[126];(c)Bionicunderwatermulti-legged(d)Soft(圖12(b)),將電子設備封裝在硅膠基質(zhì)中,減小深海高壓的影響,使用重量輕的介電彈性體作為致動器,證明了軟材料在極致壓力下正常工作的巨大此外,也有一些其他方式被用于軟體機器人驅(qū)動Armanini等[127受鞭毛生物啟發(fā)設計了水下推進器,通過簡單旋轉(zhuǎn)驅(qū)動產(chǎn)生推進力.Zhang等[128]采用柔性磁性復合材料制作驅(qū)動器通過磁場