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中国人工智能学会认知系统与信息处理专业委员，主任由清华大学孙富春教授担任，秘书长由方斌担任。专委会创立了认知系统和信息处理国际会议(ICCSIP)，同时创办了“Cognitive Computation and Systems”国际期刊。

随着学会的队伍不断发展壮大，分支机构的发展愈发完善，丰富多彩的分支活动与学术分享也频频呈现。疫情期间，CAAI认知系统与信息处理专委会积极倡导学会“疫情防控不放松，学习充电不间断”的理念，邀请年轻学者结合本专委会自身领域研究精选相关文献进行研究与再解读，与大家分享《仿生跨水空两栖飞行器》。

以下文章来源于CAAI认知系统与信息处理专委会

作者杨兴帮

简介：男，麻省理工学院在站博士后，博士毕业于北京航空航天大学，研究方向为水空两栖生物多模式航行机理及仿生飞行器研制。

动物界经过漫长的自然选择逐渐进化出适应于在各自运动介质生存的身体结构和功能，如鸟类进化出具备适合空域飞行的翅膀结构，陆生动物进化出适合陆地奔跑/跳跃/爬行等的腿足结构，水生动物进化出可以高效游动的尾鳍或喷射推进结构等。图1给出了不同介质下动物运动模式的分类框图，从图中我们可以看出，除了在单一的水域、陆域、空域中活动的动物，自然界中还存在很多具备多介质多模式运动能力的生物，包括水陆两栖、水空两栖、陆空两栖动物，这些动物进行跨介质多模式航行的根本原因是为了拓展原有的栖息场所，充分利用不同介质的优势，从而提高自身生存和适应能力（逃逸、捕食、节能等），探索动物为适应多模式生存在结构、推进、运动模式等方面的进化优势，并将其应用于仿生设计可以帮助我们大大提高人工样机的作业性能。

图1 不同介质下动物运动模式的分类框图

为了拓展现有空中无人系统的作业环境和应用范围，同时充分利用水下航行的高度隐蔽性和空中飞行高机动性的优势，各国的研究人员把目光转移到水空两栖多模式无人飞行器的研究上，具有海空生存优势的水空两栖生物，将为该种飞行器的推进系统、结构设计及性能提升提供很多建设性的启示，因此水空多模式运动机理及其仿生样机的研制一直是国际上研究的热点问题。美国哈佛大学[1]、麻省理工学院[2]、英国帝国理工大学[3]等国外知名机构都已经开展了水空两栖多模式运动方面的机理探索和仿生设计研究工作。

图 2 水空两栖多模式无人飞行器发展过程

当前国内外很多研究机构开展了生物原型研究、两栖航行机理探究、原理样机验证等方面的研究。图2给出了该种飞行器的发展过程示意图。其中几个比较典型的样机为MIT林肯实验室研制的溅落式两栖原理样机、英国布里斯托大学提出的仿生多模式水下扑翼推进器、帝国理工大学提出的桨式推进仿生概念样机及北航课题组提出的仿鲣鸟水空两栖多模式样机等。

MIT溅落式两栖多模式飞行器：2012年，MIT林肯实验室的AndrewFabian等人设计了一款仿鲣鸟的微小型两栖多模式无人飞行器[4]。该样机采用折叠翼结构，空中飞行时机翼完全展开提供升力，入水时采用鲣鸟的溅落式入水方式。该样机实现了多次成功的空-水介质转换（入水），但是目前他们的研究还仅仅处在样机入水实验阶段，没有开展进一步的生物观测和机理研究工作。

布里斯托大学仿“海鸦”多模式水下扑翼推进器：2010-2014年，英国布里斯托大学的Lock等人一直在研究一种可应用于水空两栖多模式飞行器的仿生扑翼翅膀[5]。他们参考海鸦设计了一种用于水下推进的仿生翅膀，发现水下运动时翅膀收拢时的功率消耗是翅膀展开时功率消耗的1/4，但是翅膀收拢的运动模式可以提供足够的水下前进动力。Lock等人的研究首次对适应两栖环境的仿生驱动结构的水空运动模式进行了权衡分析，但是他们的研究还处在实验装置研制和推进力定量测试和分析阶段，尚未开展可进行水下/空中航行的仿生原理样机的研制工作。

帝国理工大学桨式推进仿生概念样机：2014年，英国帝国理工大学的Siddall等人设计了一款2.6 g的仿飞乌贼的喷水推进装置[3]。2016年，将该仿生喷水推进装置安装到小型UAV上，实现了小型UAV从水下到空中的起飞，同时该样机采用溅落式入水实现了从空气介质到水体的转换 [6]。从公布的资料来看，该样机还未实现水-空/空-水介质转换及水 /空介质全过程的航行，并且其水下移动和空中飞行均采用传统的螺旋桨推进；机翼变构方式也是传统的刚性变结构方式，并通过电机驱动结构改变，这种方式增加了结构重量和系统复杂性。

北航“鲣鸟”系列水空两栖多模式飞行器：2009年，北航机器人所研制了一种可潜入水下的水空两栖多模式概念机“鲣鸟I” [7]。“鲣鸟I”具备水面滑跑起飞和降落的能力，同时又可以实现下潜和水下航行。2011年起，课题组进一步探索了水空两栖多模式飞行器的水空兼容性设计、关键部件强度设计及分析，并对其水空航行能力进行了试验尝试。设计了具有水空兼容性的样机结构，开发了“鲣鸟II”水空两栖多模式飞行器并进行了试飞验证[8]。该飞行器在水体和空气介质中采用不同的推进系统，起飞时采用气囊协助实现姿态调控。起飞时大部分机身处在水中，由于水的附着力和沾湿性使起飞重量增加，这对起飞推进器能量密度提出了较高的要求。起飞阶段如何产生足够推进力使飞行器快速脱离水面是水空多模式飞行器实现成功起飞的一个关键问题。

由以上仿生样机的分析可以发现，目前存在的仿生两栖多模式飞行器存在的问题主要包括：

a. 虽然大部分样机都参考自然界中的水空两栖生物（海鸦、飞鱼、鲣鸟等）设计，但是推进方式还多为传统的螺旋桨式推进，降低了仿生相似度，不能很好地模仿和探索生物在推进方式上适应水空两栖多模式运动的优势；

b. 运动介质转换（水-空和空-水过渡）是该种飞行器能够成功实现两栖多模式运动的关键，尤其是水-空过渡阶段，需要完成从水体介质到空气介质的转换，在推进系统的设计中要考虑辅助起飞装置或采用足够能量密度的推进器；

c. 为提高不同流体介质中航行的能量效率，当前仿生样机多采用变构设计，但是采用的都是传统的刚性结构和驱动方式，增加了结构重量和复杂度，探索高仿生相似度的软体变结构方式可大幅度提高该种飞行器的跨介质运动效能；

综上，研制高仿生相似度的水下推进和软体变结构方式，探索高效能的水-空过渡方式，是提升水空两栖多模式飞行器整体性能需要解决的关键问题。作为一种具有优异水空生存能力的海洋生物，飞行乌贼具备水下喷水游动、空中滑翔飞行以及喷射起飞（水空过渡）等水空两栖多模式运动能力，因此可以自如地实现水空跨介质航行。深入研究其跨介质过程高效推进力的产生机理及软体鳍变结构原理，可为水空两栖多模式飞行器的实现提供参考和借鉴。

目前世界上对于乌贼喷射出水阶段的研究仍处于空白，课题团队对自然界具有卓越飞行能力的飞乌贼品种太平洋鸢乌贼进行了详细调研，对其生物学形态进行三维建模，并通过CFD仿真得到了乌贼在整个喷射出水阶段的三维流场压力变化，速度变化，水相气相变化，乌贼出水水面压力变化，喷流尾迹流场流线，以及乌贼本体速度，加速度，位置移动等多项参数，全面仿真得到了乌贼的喷射出水阶段的各项运动数据[9]。同时通过对仿真结果流场数据的进一步分析，得到了乌贼出水过程的涡量图，并通过旋涡判别法则Q准则，对乌贼本体及喷流部分的旋涡位置进行识别，根据涡环理论对流场旋涡动量进行计算，进一步得到了乌贼由于喷流产生推力大小。通过Q准则对流场的分析，得到了乌贼在飞行出水过程中的明显的尾迹涡Q等值面，建立并验证了乌贼出水飞行过程的涡推进理论，得出飞乌贼起飞阶段喷射起飞的策略是产生更大的平均推力而非更高的推进效率.该部分研究对于飞乌贼高效推进机理研究及仿真样机研制具有极大的参考价值（详见图3）。

图3 飞乌贼CFD计算机流体仿真

课题组经过与飞乌贼生物研究的相关学者（达尔豪斯大学的RonaldO'Dor教授，日本东海大学大泉宏教授等）取得联系，获得了未公开的乌贼出水飞行视频等记录，对飞乌贼在水下、水-空过渡、空中滑翔等运动模式下的腕足-套膜（腕鳍）和后端对鳍的状态（张开或折叠）及结构参数进行分析，首次将飞乌贼运动周期内的不同阶段定义划分为六个阶段，如图4所示，即巡游，加速，发射，喷射加速，滑翔，溅落入水等，并获取的不同运动阶段的躯体姿态。

图4 飞乌贼水空界面运动过程

通过对以上生物学数据的分析，发现乌贼在不用运动阶段，其软体对鳍与腕鳍灵活的收拢及展开以适应不同的运动场景，因此，课题组首次提出利用软体机器人技术，以高弹性硅胶为基底材料，对乌贼对鳍和腕鳍的运动进行模拟实现[10]。此外，为了增强水下游动，空中滑翔过程中对鳍的刚度，课题组尝试采用阻塞原理（jammingeffect）在对鳍和腕鳍的刚度实现控制[11]。软体变结构鱼鳍在仿生跨介质航行器的应用可以极大改进航行器的多模式运动能力。

图5 飞乌贼软体变结构鱼鳍

由于飞乌贼具备水下/空中/水空界面多介质航行的能力，其在水下、空中不同流体介质多模式航行的动力学过程分析及建模是需要重点研究的问题，对仿生飞乌贼不同运动模态下的受力状态进行分析，确定动力学方程中的各个力分量，对各个力分量进行合理的表示和计算，其中流体力分量是动力学建模的关键因素，课题组通过已有的自助拖曳平台以及合作使用的大型风洞对自主研制的仿生飞乌贼样机进行了水动力/气动力分析，为水下游动和喷射起飞模态的动力学模型的建立提供参考。在水下运动过程中，乌贼游动的攻角以及对鳍和腕鳍的状态都极大着影响着乌贼的运动，这也进一步反映了自然界乌贼的多介质、多模式航行的权衡机制[12]。

图6 飞乌贼风洞及水洞实验

水-空两栖多模式飞行器是一种可以自由穿梭海空之间的新概念飞行器，1934年由前苏联的波利斯.尤沙科夫提出[13]。它具有空中飞行与水下潜行两种工作模式，既能够快速地潜入水下以躲避敌方的搜寻及攻击,也可以从水下突然飞出以出其不意之势攻击敌方。美国海军的一项研究认为，海军若要在与敌较量中取得优势，就必须将各种传感器置于舰船和潜艇外，而其中以拥有空中优势最为重要。这种具有“潜航－飞行”双重功能的跨海空航行器能很好地满足这种需求，它的出现将改变未来的作战模式，对未来战争格局的发展起到重大影响。在民用方面，该种飞行器可以单独完成洪灾、海难等自然灾害条件下的搜索和通信中继等任务，还可以用来进行海洋资源勘探、海洋平台和结构物的监察、全范围集成化的海图绘制、海洋水质监测、海洋水文气象测量、海洋生态环境观测等。图7给出了水-空两栖多模式飞行器的潜在应用示意图。

图 7 水空多模式两栖飞行器的潜在应用

参考文献：

[1] Chen Y., Helbling E. F., Gravish N., et al. Hybrid aerialand aquatic locomotion in an at-scale robotic insect[C], IROS2015 Conference, 2015: 331-338.

[2] Izraelevitz J. S., Triantafyllou M. S. A novel degree offreedom in flapping wings shows promise for a dual aerial/aquatic vehicle propulsor[C],ICRA2015 Conference, 2015: 5830-5837.

[3] Siddall R., Kovac M., Launching the AquaMAV: bioinspireddesign for aerial–aquatic robotic platforms [J], Bioinspiration & biomimetics, 2014, 9(3): 1-15.

[4] Fabian A., Feng Y. F., Swartz E., et al., Hybrid aerialunderwater vehicle [EB/OL], Lexington : MIT Lincoln Lab, 2012 SCOPE Projects,2012.

[5] Lock R. J., Vaidyanathan R., Burgess S. C., et al.,Development of a biologically inspired multi-modal wing model foraerial-aquatic robotic vehicles through empirical and numerical modelling of the common guillemot, Uria aalge [J], Bioinspiration& biomimetics, 2010, 5(4): 1-15.

[6] Siddall R., Ancel A. O., Kova? M. Wind and water tunneltesting of a morphing aquatic micro air vehicle [J]. Interface Focus, 2017, 7(1): 20160085.

[7] Xingbang Yang, Tianmiao Wang, Jianhong Liang, Guocai Yao,Miao Liu. Survey on the novel hybrid aquatic-aerial amphibious aircraft:aquatic unmanned aerial vehicle (AquaUAV) [J]. Progress in Aerospace Sciences, 2015, 74, 131-151.

[8] Xingbang Yang, Jianhong Liang, Tianmiao Wang, Guocai Yao,Wendi Zhao, and Qi Shen.Submersible Unmanned Aerial Vehicle Concept Design Study [C]. 2013AVIATION, AIAA, 2013: 1-12.

[9] Taogang Hou, Xingbang Yang, Tianmiao Wang et al. CFD based flow field visualization and hydrodynamics /kinematics analysis of flyingsquid water-to-air launching locomotion. Bioinspiration& biomimetics, 2020, 15 036014.

[10] Taogang Hou, Xingbang Yang, Haohong Su, Tianmiao Wang etal. Design, Fabrication and Morphing Mechanism of Soft Fins and Arms of a Squid-like Aquatic-aerial Vehicle with Morphology Tradeoff. International conference on Robotics andBiomimetics, 2019.

[11] Taogang Hou, Xingbang Yang, Yasumichi Aiyama, Kaiqi Liu,Zeyu Wang, Tianmiao Wang, Jianhong Liang, Yubo Fan. Design and experiment of auniversal two-fingered hand with soft fingertips based on jamming effect. Mechanism and Machine Theory, 2019, 133,706-719.

[12] Taogang Hou, Xingbang Yang, Haohong Su, Buhui Jiang, LingkunChen, Tianmiao Wang, Jianhong Liang. Design and Experiments of a Squid-likeAquaticaerial Vehicle with Soft Morphing Fins and Arms, International conference on Robotics and Automation, 2019.

[13] Vestnik vozdushnogo flota [J], 1995, 3: 52-53.

2014年成立，每年组织中国科学热点论坛、机器人工程赛、人工智能热点研讨会等多项特色活动，成功召开了多届认知系统和信息处理国际会议(ICCSIP)。第五届认知系统和信息处理国际会议(ICCSIP 2020)将于2020年12月18-20号在中国珠海横琴岛召开，希望推动认知、心理、智能、机器人等领域的融通交汇。此外，还将特别设立科技抗疫专题，欢迎各界人士依托此平台为全球科技抗疫贡献力量。

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http://digital-library.theiet.org/content/journals/ccs

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