仿生水下软体机器人：从生物学到机器人学再到反哺

为什么水下软体机器人重要

想象一艘像金枪鱼一样滑行的潜艇，能像章鱼一样挤入缝隙，并像鱼群一样“感知”水流。本文综述解释了工程师如何借鉴海洋生物的设计制造出这种柔软、可弯曲的水下机器人——反过来，这些机器人又成为探索海洋动物如何运动与生存的有力工具。这项工作指向更安全、更具适应性的海洋勘探机器，同时也为生物学家提供了新的方法来检验关于进化与动物行为的假设。

向海洋生物学习的要点

作者首先指出当今水下航行器与真实海洋动物之间存在的差距。传统的自主潜艇通常是刚性的、由螺旋桨驱动并设计成与水流对抗。而鱼、水母和章鱼等生物使用柔软的身体、可弯曲的鳍和巧妙的控制策略，这些策略与旋涡和水流协同工作，而不是与之对抗。综述从生物学中提炼出四条广泛的经验：将身体运动与水流耦合的游动方式；分布力并储能的体型与内部结构；分布在皮肤、鳍与触须上的感知；以及依赖简单节律并由身体与环境反馈微调的控制系统。综合这些理念，为实现灵活、高效且在脆弱栖息地中安全使用的水下软体机器人提供了蓝图。

将生物学转化为软体机器

接着，文章综述了这些生物学理念如何在实际机器人中实现。工程师制造了带有柔性尾部的鱼形游动器、具有宽大摆动鳍的魟鱼式滑翔器、受水母启发的脉动“钟体”，以及像海星或海龟那样爬行和划水的肢体机器人。许多机器人不再使用金属框架，而是采用硅橡胶、水凝胶和可弯曲、可拉伸或可变刚度的智能材料。作者解释了设计者如何调整整体体形、内部层次和嵌入的腱或纤维，使机器人以有用的方式自然弯曲，并能在推动水体或接触岩石时不受损伤。柔软的“皮肤”可以隐藏可伸展的电子元件和感觉压力或流动的微型通道，呼应了鱼类侧线、海豹触须和章鱼吸盘的功能。

会感知、适应与学习的机器人

综述随后讨论了这些软体机器如何被控制。由于它们的身体具有大量自由度并与水体有强烈耦合，传统刚性机器人的控制方法往往不够用。研究者通常从简单的节律模式出发——类似动物脊髓中的中枢节律发生器——去驱动尾部、鳍或臂。来自压力、应变或流动传感器的局部反馈实时调整这些节律，使机器人能够在洋流或接触过程中保持稳定。一些系统将“智能”直接内嵌到硬件中：例如，随着压力变化自动调节抓持力的吸盘和流体阀门。机器学习方法越来越多地被用于发现利用涡流和体弹性来提高效率的划动与步态，但将这些在仿真中学到的行为转移到真实海洋环境仍存在挑战。

作为生物学试验台的机器人

论文的一个核心论点是：启发是双向的。精心设计的机器人可以作为物理模型，用来检验在活体动物中难以或无法直接测试的生物学假设。例如，具有可调刚度和驱动模式的魟鱼类与水母类机器人展示了脉冲运动与弹性反冲如何塑造尾流并增强推力。受吸盘鱼（remora）启发、具有可调唇缘、腔体和微观纹理的吸附垫揭示了鱼类如何在粗糙且高速移动的表面附着。人工侧线传感器与触须阵列澄清了杯状体凝胶与触须形状如何在信号到达神经之前放大水流信息。甚至灭绝物种也可以通过这种方式研究：机械的蛇颈龙鳍或恐龙尾帮助评估哪些古代体型实际上能够高效游动。

动物与机器的共同法则

最后，作者展望了一个生物学与机器人学通过共同设计法则相互连接的未来。他们通过比较在不同谱系中独立演化出相似解决方案的远缘物种——例如翼、鳍、吸附器官或螺旋形抓握肢——来论证可适用于不同尺度与谱系的“生物通用”原理。机器人家族可以通过超出进化曾经尝试的形状、刚度模式和控制策略来系统地探索这些原理。综述还呼吁建立代表动物与机器人在同一虚拟框架内的数字“双生体”，以实现形态、材料与控制的协同设计。同时，早期将活组织整合进机器的生物混合机器人预示着未来机器可能拥有某些真实生物的适应性与自我修复能力。

这一切意味着什么

对非专业读者而言，关键结论是：下一代水下机器人在外观与行为上将更像海洋生物，而不是小型潜艇。柔软的身体、分布式感知与简单而可适应的控制回路将使它们能够穿行杂乱的珊瑚礁、处理脆弱样本并乘流而行而非与之对抗。与此同时，这些机器人将作为真实动物的实验替代品，帮助科学家揭示塑造海洋中数百万年进化的物理法则。简言之，通过闭合生物学与工程之间的循环，水下软体机器人既有望带来更好的技术，也将深化我们对海洋生命如何繁荣的理解。

引用: Li, L., Qin, B., Gao, W. et al. Bioinspired underwater soft robots: from biology to robotics and back. npj Robot 4, 25 (2026). https://doi.org/10.1038/s44182-026-00088-x

关键词: 水下软体机器人, 仿生设计, 水生运动, 分布式感知, 海洋生物力学