Direction 1 Underwater Soft Robot
一、背景介绍
刚性机械鱼有着游动不灵活、能量消耗大、深海电子元件不易集成、缺少感知的特点；而软体机器鱼有着柔软、富有感知的特点，因此软体机器鱼更利于实现复杂、极端环境下的探索任务。
课题组水下软体机器鱼方向主要包含四个子方向：软体推进结构、软体机器鱼设计、智能感知技术、机器鱼控制与优化算法。
二、研究方向
（1）软体推进结构
研究目的与意义在于面向水下生命体自适应推进、海底极端环境游动等场景任务，目前国内外开发了各种类型的软体机器鱼推进方式，例如美国研究机构分别提出了一种仿生鳐鱼移动的软体机器人，伦敦玛丽皇后大学实现仿生章鱼移动，加州理工大学—仿生乌贼喷水推进；国内北航提出了仿生䲟鱼吸附机器人，实现吸盘牢固吸取。
美国霹雳能源公司—仿生鳐鱼移动
伦敦玛丽皇后大学-仿生章鱼移动
（2）软体机器鱼设计
研究目的与意义在于实现水下非刚性结构、软体建模、水环境因素耦合模型分析和软驱动方式。常见的软体材料有PLA等、软体机器鱼的设计可以实现流线型躯体减小水的阻力，利用CFD软件可以仿真出鱼在游动时流体场的变化，而且软体机器鱼可以在面向深海环境中使用。
水环境因素耦合模型分析 柔性体结构有限元建模
（3）智能感知
研究目的与意义在于能赋予软体机器鱼更智能的感知、建立水下SLAM游动场景、目标识别探测及跟踪。例如基于表体传感系统及柔性传感器的研制，可以轻松实现更精准的环境感知；超声波、声纳探测感知可以实现深海测距，SLAM/多目视觉支持可以使得机器鱼更智能，以便建立未知水域的3D模型，赋予机器鱼灵巧驱动、更智能、多功能应用特点。
表体传感系统及柔性传感器 超声波、声纳探测感知
（4）控制与优化算法
本研究在多协致动器和传感信息支持的基础上，展开水下软体机器人的维稳控制和运动控制研究，进而实现水下实机稳态运行和规划的目标。主要包括水下软体机器人运动姿态及三维运动响应的多模态控制、多协致动器的控制-动作/动作-目标渐进收敛控制及面向实机执行任务的水下软体机器人策略规划和控制调整
面向游动任务的姿态策略 面向游动任务的规划策略
Direction 2 Soft Gripper
一、背景介绍
刚性机械手有着坚硬、缺少感知、没有生命的特点；而软抓手有着柔软、富有感知、有生命的特点，因此软抓手更利于实现人机“交互”/“共融”。
课题组水下柔性机械手方向主要包含四个子方向：软体灵巧抓手、智能感知技术、多模态人工肌肉和柔性机械臂。
二、研究方向
（1）软体灵巧抓手
研究目的与意义在于面向水下生命体自适应无损抓取、海底采样、海底打捞等场景任务，目前国内外开发了各种类型的软体抓手，例如美国研究机构分别提出了一种仿生嘴唇的被动塞入式软抓手和软体灵巧手指；国内北航提出了仿生章鱼触手软抓手，实现物体的灵巧抓取。相对而言，目前面向水下软体抓手的开发较少，北大前不久研制了一种水下仿发光章鱼刚柔一体抓手，实现水下生命体的无损抓取。
北航-仿生章鱼触手抓捕研究
哈佛大学-软体灵巧抓手
北大-水下仿发光章鱼刚柔一体抓手
（2）软抓手智能感知技术
研究目的与意义在于实现水下非结构化、浑浊、干扰等环境下实现安全交互和有效探测。常见的触觉传感器包括视触觉传感器、压电压阻传感器、光纤传感、TENG等，嵌入到软体抓手中，可实现实时的触觉反馈，用于目标辨识、曲率感知、力控制抓取、滑移感知、物理特性感知等，这些物理量的感知对水下物体抓取非常重要。
水下目标识别（视触觉融合） 弯曲挠度传感（液态金属合金电阻式传感器） FBG分布式三维力测量（光纤传感）
（3）多模态人工肌肉
研究目的与意义在于多模态人工肌肉可以作为水下软体执行器的动力来源，能赋予软抓手、机械臂更灵活、多功能的场景应用。例如基于折纸启发的双稳态人工肌肉的研制，可以轻松实现软抓手不同角度的抓取；可控刚度多模态人工肌肉可以通过气压变换实现模态变换，并且通过搭积木的方式构建管道机器人、软抓手等，具有灵巧驱动、多功能应用特点。
折纸启发双稳态人工肌肉 可控刚度多模态人工肌肉
（4）柔性机械臂
研究目的与意义在于柔性连续体机械臂拥有更自由、更灵活、更安全的交互空间，结合水下机器人和软抓手，适应多种水下抓取和探测应用场景。目前柔性臂动力学建模存在精度不足情况，高精度的动力学模型是实现末端执行器精确定位的关键。
