论文标题：Design and Analysis of a Novel Bionic Tensegrity Robotic Fish with a Continuum Body

论文链接：https://www.mdpi.com/2313-7673/9/1/19

期刊名：Biomimetics

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/biomimetics

文章亮点

受鱼类BCF推进模式与肌肉刚度调节机制启发，本文提出一种基于张拉整体结构的仿生机器鱼设计方案。通过模块化张拉结构单元构建连续柔性躯体，实现仿鱼波动推进与在线刚度调控，有效解决传统多关节机器鱼控制复杂、刚度单一以及现有刚度调节机构冗余复杂等问题。在此基础上，开展系列实验验证了该方案的刚度调节能力及其对游动性能的提升效果。实验结果表明，刚度调控可有效提升机器鱼游动性能，所研制仿生机器鱼最高游速达295 mm/s (折合0.84 BL/s)，最小转弯半径仅230 mm (折合0.68 BL)，为新型仿生水下机器人设计提供新思路。

研究过程

为了模仿、探究鱼类复杂的柔性波动推进特性，本文将张拉整体结构的变刚度特性整合至仿生机器鱼结构设计。首先，构建了由刚性杆、预紧弹簧与驱动线缆组成的张拉整体单元，并通过4个模块化张拉单元串联形成连续体尾部，利用线驱动方式调节弹性元件预紧力实现在线、连续、无额外机构的刚度调节。其次，建立数学模型分析张拉整体结构弯曲特性，验证其仿鱼波动推进可行性；随后，开展空载振荡与负载变形实验，分析不同收缩长度 (刚度) 下的振荡幅度与刚度特性。最后，基于研制的仿生机器鱼样机系统探究频率、振幅及刚度等关键参数对游动性能的影响机制，验证所提方案的有效性。

讨论总结

本文系统开展了基于张拉整体结构的仿生连续体机器鱼设计、建模与实验研究，提出了模块化张拉整体单元串联方案，实现连续柔性躯体与在线刚度调控一体化设计，有效解决传统仿生机器鱼控制复杂、刚度单一及调节机构冗余等问题。通过理论建模、特性测试与水环境实验，验证了所提张拉整体结构用于仿鱼波动推进与刚度调节的有效性，所研制样机具备良好游动与转向性能，为研制新型水下机器人装备提供了重要参考。然而，张拉整体结构具有弹性耦合复杂的特性，本文工作仅开展了基于几何约束的建模分析，后续将构建多场耦合动力学模型，深入分析刚度与驱动参数关系，优化刚度分布，并结合自适应调节策略，提升仿生机器鱼在实际应用场景中的运动性能和环境适应性。

图1. 基于张拉整体结构的仿生机器鱼设计方案和原型样机

图2. 基于张拉整体结构的仿生机器鱼性能测试

原文出自 Biomimetics 期刊：

Chen, D.; Wang, B.; Xiong, Y.; Zhang, J.; Tong, R.; Meng, Y.; Yu, J. Design and Analysis of a Novel Bionic Tensegrity Robotic Fish with a Continuum Body. Biomimetics 2024, 9, 19.

期刊介绍

主编: Prof. Dr. Stanislav N. Gorb, University of Kiel, Germany

Biomimetics (ISSN 2313-7673) 是一个国际型开放获取英文学术期刊，致力于发表仿生学与仿生技术领域的最新研究成果。期刊内容从生物体的基本机制出发，深入探讨生物特性在人类应用领域中的转化与应用。本刊旨在为材料科学、机械工程、纳米技术以及生物医学领域的研究人员搭建高水平的交流平台，鼓励通过生物启发式设计解决复杂问题，推动工程技术与生物医学领域的可持续创新。期刊已被Scopus, SCIE (Web of Science), PubMed, PMC, Ei Compendex, CAPlus / SciFinder等数据库收录。

2025 Impact Factor: 4.2

2025 CiteScore: 6.2

Time to First Decision：13.5 days

Acceptance to publication：3.5 days