清華新聞網(wǎng)1月29日電 近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院曲鈞天副教授團(tuán)隊(duì)在海洋仿生軟體機(jī)器人領(lǐng)域取得系列研究進(jìn)展，通過(guò)模仿海龜、蠕蟲(chóng)等生物的高效運(yùn)動(dòng)模式，分別研發(fā)出面向復(fù)雜兩棲環(huán)境的智能仿生兩棲海龜機(jī)器人、面向水下復(fù)雜管道內(nèi)部探測(cè)的仿蠕蟲(chóng)柔性管道機(jī)器人。系列研究均體現(xiàn)了“仿生智能”與“模塊化設(shè)計(jì)”的前沿理念。仿海龜軟體機(jī)器人通過(guò)多模態(tài)感知實(shí)現(xiàn)了環(huán)境智能適應(yīng)，而仿蠕蟲(chóng)軟體管道機(jī)器人則通過(guò)可重構(gòu)模塊化軀體突破了復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化空間的運(yùn)動(dòng)限制，分別為海陸兩棲跨介質(zhì)探測(cè)與水下管道內(nèi)部巡檢等復(fù)雜任務(wù)提供了高效、靈活的技術(shù)方案。
在陸地與水域交界的復(fù)雜區(qū)域，傳統(tǒng)海洋機(jī)器人面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。這些過(guò)渡區(qū)域通常由松軟的沉積物、不規(guī)則的石塊和不斷變化的地形組成，使得依靠高速螺旋推進(jìn)的傳統(tǒng)系統(tǒng)容易出現(xiàn)效率下降、機(jī)動(dòng)性受限甚至任務(wù)失敗的情況。
面對(duì)以上挑戰(zhàn)，曲鈞天團(tuán)隊(duì)從海龜?shù)倪\(yùn)動(dòng)中汲取靈感，研制出一款智能仿生兩棲海龜機(jī)器人，該機(jī)器人采用三自由度仿生鰭肢與輕量化設(shè)計(jì)，并通過(guò)貝葉斯優(yōu)化實(shí)現(xiàn)低功耗高效運(yùn)動(dòng)。其核心創(chuàng)新在于融合視覺(jué)與觸覺(jué)信息，利用雙流卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行地形實(shí)時(shí)分類(lèi)，準(zhǔn)確率高達(dá)99.17%，并據(jù)此實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)步態(tài)自適應(yīng)。該策略使機(jī)器人能效提升19.1%，運(yùn)動(dòng)速度提高9.2%，在復(fù)雜環(huán)境中表現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性。
圖1.智能仿生兩棲海龜機(jī)器人：硬件配置與核心組件
圖2.地形識(shí)別框架
圖3.戶(hù)外測(cè)試
研究成果以“一種具備視覺(jué)-觸覺(jué)融合能力的智能仿生兩棲海龜機(jī)器人及其動(dòng)態(tài)地形自適應(yīng)方法”（An Intelligent Bionic Amphibious Turtle Robot with Visual-Tactile Fusion for Dynamic Terrain Adaptation）為題，發(fā)表于《IEEE機(jī)器人學(xué)匯刊》（IEEE Transactions on Robotics）。清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2024級(jí)碩士生劉昂為論文第一作者，曲鈞天和復(fù)旦大學(xué)研究員張壯為論文共同通訊作者。該成果還榮獲第77屆德國(guó)紐倫堡國(guó)際發(fā)明展銀獎(jiǎng)。
圖4.項(xiàng)目成果榮獲第77屆紐倫堡國(guó)際發(fā)明展銀獎(jiǎng)
管道作為能源運(yùn)輸與城市運(yùn)維的核心基礎(chǔ)設(shè)施，其隱蔽性、復(fù)雜性給檢測(cè)維護(hù)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)剛性管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制難度大，在小管徑、破損管道或動(dòng)態(tài)水流等復(fù)雜工況下適應(yīng)性受限；現(xiàn)有軟體機(jī)器人雖具備靈活性?xún)?yōu)勢(shì)，但普遍存在流阻大、負(fù)載能力弱、難以應(yīng)對(duì)真實(shí)管道故障等問(wèn)題。
面對(duì)以上挑戰(zhàn)，曲鈞天團(tuán)隊(duì)研制出一款磁吸式模塊化仿蠕蟲(chóng)柔性管道機(jī)器人，該機(jī)器人創(chuàng)新性地采用星形三向錨定足與纖維增強(qiáng)波紋管主干設(shè)計(jì)，兼具純?nèi)嵝耘c高負(fù)載能力，重僅120克，卻能在垂直管道中推動(dòng)750克、拉動(dòng)309.5克負(fù)載，并適應(yīng)39-60毫米的變管徑及0-90度管道傾角。其模塊化磁吸設(shè)計(jì)支持快速構(gòu)型重組，使三節(jié)構(gòu)型可跨越25毫米缺口，五節(jié)串聯(lián)構(gòu)型更能跨越80毫米寬斷裂缺口，搭載攝像頭后，機(jī)器人可在復(fù)雜管道內(nèi)部完成巡檢任務(wù)。
圖5.軟體管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖6.應(yīng)用場(chǎng)景演示
圖7.應(yīng)用場(chǎng)景演示
圖8.應(yīng)用場(chǎng)景演示
研究成果以“面向管道多場(chǎng)景探測(cè)的柔性模塊化仿蠕蟲(chóng)機(jī)器人”（A Flexible Modular Worm-inspired Robot for Multi-scenario Explorations in Pipeline）為題，作為封面文章于1月21日發(fā)表于《細(xì)胞報(bào)告物質(zhì)科學(xué)》（Cell Reports Physical Science）。清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2023級(jí)博士生徐依寧為論文第一作者，曲鈞天為論文通訊作者。論文共同作者還包括清華大學(xué)水利系教授徐夢(mèng)珍。
圖8.封面文章
論文鏈接：
https://ieeexplore.ieee.org/document/11219361
https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2025.103038
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：劉芳芳
審核：郭玲
