摘要：研制了两种由形状记忆合金(sMA)丝驱动的仿乌贼外套膜结构和一个仿乌贼外套膜喷射推进器，分析了喷射推进方式的突出优点。比较了不同种类智能材料的性能特点，sMA与其它材料相比具有回复应力大、变形量稳定、稳定工作寿命较长等优点。乌贼外套膜呈柔性，由于硅胶具有较好的柔性且陛质稳定，采用其作为仿乌贼外套膜结构的基体材料。讨论了乌贼的肌肉性静水骨骼和外套膜肌肉结构。分析了排布角度、筋条数目等参数对喷射推进器性能的影响.制作了不同参数的仿乌贼外套膜结构，其内径收缩应变达到12％一设计了一个仿乌贼外套膜喷射推进器，其外套膜收缩应变达到8 8％，通电后O 8～1 4 s内平均游动速度达到58 mm／s关键词：乌贼外套膜；肌肉性静水骨骼；形状记忆合金；喷射推进器中图分类号：TM38 文献标识码:A 文章编号：1004—7018(2009)12—0001—05
0引 言
21世纪是人类开发海洋的世纪，随着技术的进步和社会经济发展的需求，水下机器人的应用受到高度关注，在海洋地形勘测、矿藏勘察、海洋污染监察等领域具有广阔的应用前景和巨大的潜在价值。目前研究较多的电机驱动式水下推进方式具有噪声大、功重比低和灵活性能低的限制，若采用智能材料作为驱动源则可以突破这些限制，智能材料驱动已成为仿生机器人领域的研究热点“。
乌贼是一类海洋中常见的软体动物，属头足纲，全身除颚片和外套膜内的乌贼骨外均呈柔性。它们依靠喷射和鳍波动复合推进的方式来运动，并且具有很多优点：推进频率低，噪声小；身体具有很强的柔性，可以迅速改变游动方向，快速前进或后退，逃避敌害。它们既可以在持久游速下保持低能耗、高效率，也可以在拉力游速或爆发游速下实现高机动性。如果能将乌贼的这些游动特性应用到仿生潜器上，将会极大地提升它们的综合性能。因此．乌贼复合推进方式具有巨大的仿生价值。
目前国内外机器鱼大多是模仿脊椎鱼类的运动，包括身体和(或)尾鳍推进模式、中鳍和（或)对鳍推进模式，而对乌贼一类的软体动物的喷射推进研究较少。美国加州理工大学Thoms等受樽海鞘、水母喷射推进启发，提出了一尊小型、低速、高机动性的水下自动潜器．它通过产生涡流环来实现推进，推进器采用音圈电机作为驱动器，线圈的振动带动液体腔室底部的柔性薄膜产生微小的往复位移，使液体喷射出来．产生推力。喷射推进装置的导管可以起到分割流场、产生推力增值的作用。
在操纵性能方面．喷射推进具有运行噪声低、附体阻力小等特点．可以通过改变喷嘴的方向来改变推进方向，实现矢量推进：对于尾鳍摆动来说，其推力主要和摆动幅度和频率有关，摆动幅度和频率越大，推力越大．坦是尾鳍高频率、大幅度的摆动易造成材料的疲劳损耗。
研究中的仿乌贼机器人，喷射推进提供主要的推进动力，鳍波动推进提供辅助动力。本文研究内容是仿乌贼外套膜喷射推进器，其中外套膜部分的 结构是研究的重点。通过研究和设计为仿乌贼机器人提完整的喷射推进器
1乌贼外套膜喷射推进原理
乌贼喷射过程可分为充水和喷射两个主要的阶断喷射前．喷射口闭合，外套膜与漏斗连接处的锁突打开，外套膜膨胀形成负压，水流从开口处进入外套膜腔内买现充水。外套膜腔内充满水后，锁突闭合喷嘴口张开，外套膜强有力地收缩，将外套膜腔内的水沿着漏斗从喷嘴中喷出，使乌贼受到与水流方向相反的作用力，从而驱使乌贼运动。喷射完成后．外套膜重新充水，实现脉冲喷射推进。
乌贼的身体没有常见的硬骨骼支撑，而是由肌肉性静水骨骼米支撑。肌肉性静水骨骼(MuscularHydroat)是一种特殊的骨骼，是静水骨骼的一种。
静水骨骼是由被膜和多层肌肉包围着的、充满不可压缩液体的小腔室组成，它能够产生力，进行动作和改变组织刚度，由于结构特殊，它能够使身体形状产生较大变化，但体积很难被压缩。肌肉性静水骨骼没有充液腔室，而是由在三维方向上紧密排列的肌肉纤维束和胶原纤维结缔组织阵列组成，这种致密的组织同样基本不可压缩，并能使身体形状产生较大的变化。乌贼高超的游动本领就是得益于肌肉性静7k骨骼。
图1为枪乌贼外套膜结构示意图，上下两个分别为肌肉和肌内结缔组织纤维。顶面为外套膜内被膜(in一nertunic，IT)，底面为外套膜外被膜(0utertunicOT枪乌贼的外套膜肌肉主要有两种，构成外套膜实体的环状肌纤维和连接内外被膜的放射肌纤维。环状肌可分为靠近内外被摸的表层富线表层富线粒体环状肌纤维区和中央贫线粒体环肌纤维区好氧的SMP用于呼吸和持续低速游动且动作缓慢的场合，厌氧的CMP用于逃脱喷射等场合乌贼外套膜肌肉结缔组织纤维主要有IM一l、IM一2和IM—3三种类型。IM-1、IM-2都源自并连接着IT和OT。IM一1与外套膜表面呈小角度的倾斜。IM- 2嵌入在放射肌索状组织中并和放射肌呈一定角度倾斜。弯曲的IM一3平行于环状肌：IM能够传递肌肉的收缩力，控制形状变化。
一个喷射周期初期，放射肌收缩使外套膜变薄由于肌肉性静水骨骼的作用外套膜体积不变但直径变大，从而实现外套膜充水，并且伴随着IM一3被拉长而存储弹性能；接着环状肌收缩，IM一3弹性能释放．外套膜直径缩小，厚度增加，实现喷射过程，其间IM—l和IM一2被拉伸而存储弹性能；当IM l和IM一2弹性能释放后，可以促使外套膜膨胀并重新充水。
BARTOL对乌贼Lolliguncula Brevis的研究表明：乌贼外套膜的收缩频率与外套膜长度和游动速度相关，游动速度快收缩频率也高．外套膜越长收缩频率越低。当游动速度从3 crn／s增加到18 cm／时，外套膜长度为l O～2 9 cm的乌贼，外套膜收缩频率从2 4 Hz±O．6 Hz增加到4．1 Hz±O 9 Hz．而外套膜长度为3．O～8．9 cm的乌贼，收缩频率只从1 6 Hz±O．2 Hz增加到2 2 Hz±O 5 Hz．2仿乌贼外套膜喷射推进器的致动器研究对目前主要的智能材料进行分析是选择仿生乌贼驱动器材料的基础。目前应用的驱动器材料主要有磁致伸缩材料、压电陶瓷、形状记忆材料(sMA)电致伸缩聚合物、电磁流变材料、高分子聚合物等磁致伸缩材料能量利用率高，但需要外磁场，应变很小；压电陶瓷对外界约束力很敏感，驱动电压很高：
高分子聚合物还处于起步阶段，作为驱动器还有许多同题要解决；电磁流变材料需要很高的电场或磋场来工作。形状记忆合金是一种集传感、驱动和执行功能于一体的智能材料，它在相变过程中产生的回复力很大，近年来在仿生机器人中应用较广泛表l是几种驱动材料的特性对比。
形状记忆效应是在马氏体相变中发现的，通常把相变中的高温相称为母相，低温相称为马氏体框。
从母相到马氏体相称为马氏体相变，从马氏体相到母相称为马氏体逆相变”。形状记忆效应可分为：单程形状记忆效应、双程形状记忆效应和全方位形状记忆效应。形状记忆合金主要分为镍钛（NiTi)基、铜基和铁基三大类。目前使用最广泛的是镍钛基合金，其记忆特性稳定，记忆寿命长，因此采用sMA作为仿乌贼外套膜的致动器。形状记忆当金的热机械行为是其在_亡程中应用的基础．为了精确计算它产生的机械变形量，必须研究产生热机械行为的宏观力学模型，也就是本构方程。常用的sMA本构模型有lranaka模型。和Brinson模型等。
乌贼外套膜呈柔性，仿鸟贼外套膜基体材料的选用很关键。有机硅胶的基本结构单元是硅一氧链节，侧链则通过硅原子与其他各种有机基团相连。
因此有机硅胶结构中既含有“有机基团”，又含有“无机结构”，这种特殊的组成和分子结构使它集有机物的特性与无机物的功能于一身。与其他高分子材料相比，它具有低表面张力和低表面能、耐高低温、热稳定、绝缘等特点，适合模拟乌贼的柔性组织。
3仿乌贼外套膜的设计和实验
3．1两种仿乌贼外套膜结构设计与理论计算
由于sMA丝在长寿命动作时应变较小，若直接用sMA模拟乌贼的环状肌，则不能达到乌贼外套膜的收缩应变，因而采用倾斜布置的方式增大sMA丝长度和应变，以增大其在外套膜环状方向的收缩量。
模仿乌贼外套膜肌肉结构设计了两组布丝方式。一种布丝方法是sMA丝与筋条垂直，sMA丝并联联接，并用导线引出，称为垂直布丝，如图2、图3所示。另一种布丝方法是sMA丝与筋条平行，称为平行布丝，其中sMA丝数量比筋条数量少一个，如图4所示。仿乌贼外套膜结构呈圆筒形(为了真实模仿乌贼外套膜结构，圆筒不是完整的一周，中间留了一个开口，实验时再用薄片连起来，成为整圈)，除了内部的支撑筋条外，全部是柔性的，筋条由薄板切割而成，均匀分布在圆筒的中径处，长度略小于仿乌贼外套膜结构整体长度。外套膜基体材料是硅胶，用以模仿乌贼的组织。
给引出的导线加上脉冲电压，由于电流热效应，sMA丝温度升高，长度缩短，外套膜收缩，将水排出，产生推力一在脉间阶段，sMA丝温度降低，恢复原始长度，外套膜直径增大，开始充水，这样不断重复，实现脉冲推进：
对于垂直布丝的仿乌贼外套膜结构，取筋条宽度的一段外套膜来分析：水平方向受力平衡，两个力分别是sMA丝的拉力和硅胶基体受压后产生的力，假设外套膜体积不变，长度方向尺寸也不变，于是有：
式中：E为硅胶的弹性模量；s为外套膜展开后的纵截面积；“为一根筋条对应的圆心角；d为sMA丝直径；ο1为sMA丝的应力；θ为平衡状态下sMA丝和筋条夹角；h为外套膜高度；r1和r2为外套膜收缩前的内壁半径和外壁半径；r3和r4为收缩后的内壁半径和外壁半径。
将硅胶制成形状为25 mm×25 mm×12 mm的块状固体做压缩实验，得到了弹性模量E和硅胶应变x的关系式：
sMA丝初始长度l，收缩后长度l可以得到sMA丝长度变化和仿乌贼外套膜结构收缩量的关系式：
式中：6为sMA丝在筋条上的投影长度；n为筋条数目；c为筋条宽度。
对于平行布丝的仿乌贼外套膜结构，同样取筋条宽度的一段外套膜来分析：水平方向受力平衡，两个力分别是sMA丝的拉力和硅胶基体受压后产生的力，假设外套膜体积不变，长度方向尺寸也不变，于是有与垂直布丝相同的方程式(1)、式(2)，参数也相同。sMA丝初始长度l，收缩后长度l．可以得到sMA丝长度变化和仿乌贼外套膜结构直径的关系式：
式中：r3r4为平衡状态下仿乌贼外套膜结构内壁半径和外壁半径；6是SMA丝在筋条上的投影长度的一半：a为初始时相邻两根筋条间的距离；。为平衡时相邻两根筋条间的距离；n是筋条数目。
根据前面的理论分析，设计了一系列的仿乌贼外套膜结构，具体情况如表2所示。
根据式(1)～式(5)计算仿乌贼外套膜结构l、2的数据，如图5、图6所示。其中用到的参数为6=39 mm，c=2 5 mm，h=180 mm，r1=41 mm，r2=49mm．
1、2的SMA丝理论应力对比1、2的sMA丝理论应变对比根据式(1)～式(3)和式(6)～式(8)计算仿乌贼外套膜结构5的相关数据，如图7所示，其中用到的参数为n=26 mm，6=70 mm。
对比计算结果发现：相同条件下，产生一定的收缩应变，布丝角度大，需要的SMA丝应力小，筋条数目多，需要的SMA丝应变小，筋条数目对sMA丝应力的影响很小。硅胶弹性模量对收缩应变的影响很大，相同条件下，弹性模量越小收缩应变越大。
3．2仿乌贼外套膜结构水下实验
表2中是所设计的仿乌贼外套膜结构，把它们全部制作出来用于实验研究。实验时将连接外套膜开口的塑料片与水槽固定在一起。假设外套膜竖直方向直径的相对变化为外套膜的收缩应变，在图像上测量该方向直径的变化数据，通过计算就可以得到外套膜的收缩应变。图8是仿乌贼外套膜结构3收缩前后的对比，通电电压18．5 V，脉宽1 000 ms：
图9、图10是仿乌贼外套膜结构动作曲线。
根据实验观察和分析可以得到以下结论：
(1)内径收缩应变大于外径收缩应变，说明外套膜体积不变的假设能较好地符合实际情况；(2)布丝角度为40。的最大收缩应变大于布丝角度为65。的最大收缩应变；(3)布丝角度为40。的SMA丝长度大于布丝角度为65。的长度，相同电流下，后者温度升高更快．收缩速度也更快；(4)布丝角度为40。达到最大变形量，需要的：
脉宽大约是l 500 ms、电压18 5 V，而65。需要的脉宽大约是：300 ms、电压18．5 V；(5)11根筋条的变形量大于14根的变形量但动作没有14根均匀；(6)垂直布丝的仿乌贼外套膜结构收缩应变略大于平行布丝的情况。对于垂直布丝的仿乌贼外套膜结构，内径最大收缩应变达到12％；对于平行布丝的仿乌贼外套膜结构，内径最大收缩应变达到10 73％．3 3仿乌贼外套膜喷射推进器水下实验根据前期的实验发现，垂直布丝的仿乌贼外表膜结构收缩应变略大于平行布丝的收缩应变．但是垂直布丝外套膜动作不够均匀，决定采用平行布丝方法设计喷射推进器。该推进器共有l 1根筋条．根sMA丝，丝径O 175 mm，布丝角度20。，外套膜外径110 mm，厚度12 mm，长度260 mm，喷嘴长要一ymm。喷嘴用塑料薄片制成。
在水中进行推进实验：脉冲电压30 V，通电时 间2．5 s，0 8～1 4 s内推进器平均速度达到58mml／s。运动位移和外套膜收缩应变曲线如图11所示。从图中可以看出，通电2 5 s时，外套膜收缩应变最大，达到8 8％，超过Macgmivray。提到的Lol一Igoreale，乌贼慢速游动时的外套膜收缩应变8 49％。图12是水下实验中的喷射推进器：
4结语
用Nm形状记忆合金丝模拟乌贼外套膜肌肉运动，用硅胶模拟乌贼外套膜基体，设计两种sMA丝布置方法不同的仿乌贼外套膜结构，最后制作了一个仿乌贼外套膜喷射推进器。水下推进实验中，1．O～3 4 s内的平均速度为58 mrn／s，外套膜收缩应变最大达到8．8％，说明仿乌贼外套膜结构设计是合理的且Niti形状记忆合金丝作为驱动材料是可行的．
形状记忆合金丝驱动的仿乌贼外套膜喷射推进器研究
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