上海交通大学学报

上海交通大学学报, 2024, 58(8): 1240-1248 doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.135

机械与动力工程

轨迹可控的微型水母机器人研制

王琦1,3, 李绿洲2, 董旭2, 袁宁一3, 丁建宁,2,3

1.常州大学 机械与轨道交通学院,江苏 常州 213164

2.扬州大学 机械工程学院 扬州大学扬州碳中和科技创新中心,江苏 扬州 225127

3.常州大学 江苏省光伏科学与工程协同创新中心,江苏 常州 213164

Development of a Small Jellyfish Robot with Controllable Trajectory

WANG Qi1,3, LI Lüzhou2, DONG Xu2, YUAN Ningyi3, DING Jianning,2,3

1. School of Mechanical Engineering and Rail Transit, Changzhou University, Changzhou 213164, Jiangsu, China

2. Yangzhou Technology Innovation Research Center for Carbon Neutrality of Yangzhou University, School of Mechanical Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, Jiangsu, China

3. Jiangsu Collaborative Innovation Centre for Photovoltaic Science and Engineering, Changzhou University, Changzhou 213164, Jiangsu, China

通讯作者: 丁建宁,教授,博士生导师,电话(Tel.):0514-87978311;E-mail:dingjn@yzu.edu.cn.

责任编辑: 王一凡

收稿日期: 2023-04-17   修回日期: 2023-06-26   接受日期: 2023-07-31  

基金资助: “共融机器人基础理论与关键技术研究”重大研究计划集成项目(92248301)
江苏省自然科学基金资助项目(BK20200984)

Received: 2023-04-17   Revised: 2023-06-26   Accepted: 2023-07-31  

作者简介 About authors

王琦(1988-),讲师,现主要从事微型机器人研究.

摘要

为解决微型机器人在较小机身尺寸下实现高效轨迹控制的难题,设计并研制了微型仿水母机器人JRT,其由气室、重心调整机构和仿水母推进器三部分组成,尺寸仅为⌀6.8 cm×5.3 cm,可通过重心调整机构和仿水母推进器协同控制有效实现水下轨迹可控.水下实验验证了机器人JRT沿竖直方向游泳和悬停、水平定向游泳以及水平弹射功能,并通过对机器人JRT沿竖直方向和水平方向游泳过程中的力平衡关系和运动状态数据分析提出了轨迹控制方案,测得水平定向游泳的速度可达到1.7 cm/s,轨迹偏差为0~3.4 cm,展现了微型仿水母机器人JRT较好的轨迹控制能力,可见其在水下资源勘查、环境监测等领域的应用潜力.

关键词： 仿生机器人; 微型水母机器人; 电磁驱动; 轨迹控制; 运动分析; 重心调控

Abstract

In order to solve the problem of efficient trajectory control of centimeter-scale robots with small size, a small jellyfish robot (JRT) is designed and developed, which is composed of an air chamber, a center of gravity adjustment device and a jellyfish-inspired thruster with a size of only ⌀6.8 cm × 5.3 cm. Its trajectory can be effectively controlled underwater through the coordination of the center of gravity adjustment device and jellyfish-inspired thruster. Underwater experiments verify the function of JRT swimming and hovering in the vertical direction, horizontal directional swimming, and horizontal ejection. By analyzing the force balance relationship and motion state data of JRT swimming in the vertical and horizontal directions, a trajectory control scheme is proposed. The speed of horizontal directional swimming can reach 1.7 cm/s, and the trajectory deviation is 0—3.4 cm, which shows that the JRT has a good trajectory control ability and is expected to be applied in underwater resource exploration, environmental monitoring, and other fields.

Keywords： bionic robot; small jellyfish robot; electromagnetic drive; trajectory control; motion analysis; center of gravity regulation

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本文引用格式

王琦, 李绿洲, 董旭, 袁宁一, 丁建宁. 轨迹可控的微型水母机器人研制[J]. 上海交通大学学报, 2024, 58(8): 1240-1248 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.135

WANG Qi, LI Lüzhou, DONG Xu, YUAN Ningyi, DING Jianning. Development of a Small Jellyfish Robot with Controllable Trajectory[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2024, 58(8): 1240-1248 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.135

微型水下机器人凭借自身微小的尺寸和灵活性在水下资源勘查、环境监测、设备故障诊断以及军事领域有着重要的应用价值和广阔的应用前景[1⇓-3].但是,如何在较小机身尺寸下实现高效的轨迹控制成为了微型水下机器人研究的难点问题.水下生物的游动具有效率高、噪声低和机动性强等特点,相较于螺旋桨推进机构具有独特优势[4-5].例如,水母使用周期性脉冲动作控制身体空腔摄入和排出水流,达到了脉冲推进的目的,这使水母具有在短时间内获得较大瞬时推力、加速性能好、环境适应性强等优点[6].水母还可以控制空腔肌肉进行非对称性收缩来改变水流喷射方向,由此可以进行高度控制、悬停和水平方向的移动,可以在水下三维空间内进行任意轨迹的游泳[7].目前,科研人员仿照水母的游泳方式开发了多种水下机器人[4⇓⇓⇓⇓-9].

但是,现有的基于气压、形状记忆合金和介电弹性体等驱动方式的水母机器人因结构复杂、驱动效率低等因素还未有效实现小型化[5⇓⇓-8].电磁力具有响应速度快、驱动电压低、驱动力大等特点[10-11],也被用作水母机器人的驱动方式[4].在前期研究工作中,研制了一种基于柔性关节的微型仿水母机器人JR[12],其推进机构结合了电磁驱动方式和柔性材料各自的优势,达到了小型化的目的.机器人JR尺寸仅为⌀5.0 cm×3.0 cm,最大游泳速度为自身体长的4.6倍每秒,是目前最小且游泳速度最快的水母机器人[12].

本文以机器人JR的仿水母推进器为基础,开展了一种轨迹可控的水母机器人研究.该机器人由气室、重心调整机构以及仿水母推进器组成,尺寸为⌀6.8 cm×5.3 cm,将之命名为机器人JRT.通过对仿水母推进器和重心调整机构进行协同控制,实现了机器人JRT在水下三维空间内的高度调整、悬停和水平定向游泳以及水平弹射.综上,机器人JRT有望在水下资源勘查、环境监测等领域得到应用.

1 微型水母机器人JRT的设计

1.1 总体结构与制备

微型水母机器人JRT如图1所示.其结构如图1(a)所示,主要包括气室、重心调整机构和仿水母推进器三部分.其中,气室的作用是为机器人JRT提供浮力,以抵抗自身部分重力;重心调整机构与气室相结合可对机器人JRT姿态进行控制,由此可实现轨迹控制;仿水母推进器可为机器人JRT提供动力.机器人JRT的主要结构参数如图1(b)所示,其最大直径为6.8 cm,高度为5.3 cm,整体尺寸虽然大于前期研制的机器人JR,但仍小于现有其他水母机器人[12].

图1

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图1   机器人JRT结构示意图

Fig.1   Structure of JRT


机器人JRT实物如图2所示.其中,气室、重心调整装置和仿水母推进器的刚性结构均采用光固化3D打印机制备,材料为购自深圳纵维立方科技有限公司的光固化树脂(EC UV RESIN).柔性结构由注塑成型得到,材料为深圳红叶硅胶科技有限公司的有机硅胶(HY630).结构中的磁铁为钕铁硼永磁体,线圈通过加工定制得到.机器人JRT的整体结构使用硅胶胶水将各个部件按图1(a)所示结构黏接装配而成,总质量m=57.5 g,浸入在水中的质量mW=4.2 g.

图2

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图2   机器人JRT实物图

Fig.2   Physical image of JRT


1.2 仿水母推进器的结构及其原理说明

图3为仿水母推进器,是基于对微型水母机器人JR的研究提出的一种水下推进机构[12],其结构如图3(a)所示,由碟形翼、刚性支撑、线圈和磁铁组成.其中,碟形翼由8个扇形翼呈轴对称分布,每个扇形翼上面有一个柔性柱,用于与刚性支撑相连接,构成柔性关节1;扇形翼背面附有刚性片,并与碟形翼中心的刚性片之间留有间隙,进而构成柔性关节2.该仿水母推进器可以简化为单个连杆机构,由电磁线圈驱动柱状磁铁并带动关节1和2弯曲,使碟形翼以刚性支撑为支点偏转.交变电流驱动下柱状磁铁在往复运动中可带动碟形翼上下摆动.

图3

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图3   仿水母推进器

Fig.3   Jellyfish thruster


图3(b)和3(c)为仿水母推进器碟形翼向上和向下最大摆幅状态.图4为仿水母推进器的推力产生原理,碟形翼从A位置向下摆动到B位置过程中,将沿径向和轴向对流体加速.径向加速流体产生的反作用力因轴对称性相互抵消;轴向加速流体的惯性质量MD将产生反向推力FT,这也是机器人JRT的动力.碟形翼向上摆动时,被加速的流体将受到刚性支撑结构的阻碍,主要变成机器人JRT自身的内力,因而反向推力对机器人JRT的作用可以忽略不计.

图4

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图4   仿水母推进器的推力产生原理

Fig.4   Thrust generation principle of jellyfish thrusters


图5为仿水母推进器在水下的推进力测试结果.驱动交变电流峰-峰值IPP=0.9 A时仿水母推进器产生的推进力波形如图5(a)和5(b)所示,驱动频率为17.5 Hz.关于驱动频率和推进力波形图的分析可参见文献[12],其中正峰值为仿水母推进器产生的最大推进力FT,它与IPP间的关系曲线如图5(c)所示.可见随着IPP的增加,仿水母推进器产生的推进力FT也在增加.由于仿水母推进器结构限制,更大的IPP将无法增加碟形翼摆动幅度,所以推进力在IPP=1.1 A时达到上限(113 mN).在后续的轨迹控制研究中,将通过调整IPP对推进力进行调控.

图5

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图5   推进力测试

Fig.5   Propulsion force test


1.3 重心调整机构及其控制方法

图6为重心调整机构,其结构如图6(a)所示,主要尺寸示于图6(b).重心调整机构为一个圆盘结构,上面配有4组电磁驱动装置,每组电磁驱动装置由线圈、磁铁、刚性支撑、柔性支撑和刚性片构成.在电磁驱动作用下磁铁可沿圆盘径向向外移动,电磁驱动力去除之后,在柔性支撑的恢复力作用下,磁铁将恢复到原始位置.如图6所示,将4个电磁驱动装置按对位分成两组,每组的两个磁铁的磁极化方向相反,线圈缠绕方向相同且并联.然后使用H桥电路同时对两个线圈提供24 V的直流电压,使用Arduino Uno R3单片机控制其电流方向.

图6

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图6   重心调整机构

Fig.6   Center of gravity adjusting mechanism


以水平两个电磁驱动装置为例,当电流为正时两个磁铁将受到向左的力.右侧磁铁受到刚性支撑的阻挡不会产生位移,这是为了避免磁铁向内位移后与仿水母电磁推进器的磁铁和线圈产生电磁耦合.左侧磁铁将向左移动Δxg,这可使机器人JRT重心向左偏移[13]:

Δx= mgmΔxg

式中:mg=3.8 g,是位移磁铁的质量.机器人JRT的重心产生位移Δx后,会形成一个倾斜运动的转矩,最终形成倾斜角:

θ=arctan Δxh

式中:h为初始状态下稳心的高度.基于这一原理,可沿4个方向对圆盘重心进行调控.最后,去除加载于线圈的电流,磁铁可在柔性支撑的弹性恢复力作用下移动到初始位置.

为了验证重心调整机构与仿水母推进器之间不存在电磁作用力的相互干扰,本文设计了图7所示实验方案.具体是将重心调整机构与仿水母推进器装配到一起,然后将其固定在刚性支撑座上.对仿水母推进器施加交变脉冲电流的同时,控制重心调整机构电磁驱动装置的磁铁产生偏移.实验结果如图8所示,在推进器正常工作状态下,重心调整机构4个电磁驱动装置的磁铁可向外移动5 mm,并保持稳定,不会受到推进器中磁铁和线圈磁场的影响.上述结果可为机器人JRT轨迹的稳定控制提供有力支撑.

图7

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图7   重心调整机构验证实验方法

Fig.7   Experimental method for verification of center of gravity adjusting mechanism


图8

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图8   重心调整机构的控制实现

Fig.8   Control realization of center of gravity adjustment mechanism


2 运动状态分析

2.1 竖直方向游泳运动状态分析

机器人JRT在水下运动过程中将受到自身重力FG、浮力FB的作用.二者可由机器人自身质量m和在水中的质量mW计算得到,分别为563.5 mN和522.34 mN.另外,机器人JRT还将受到沿竖直方向的流体阻力DV、沿竖直方向的加速反作用力GV、沿竖直方向的动量变化力SV,以及驱动脉冲周期内的平均推进力的作用.流体阻力DV可表示为[5]

DV=- cρsVuV22

式中:uV为机器人JRT沿竖直方向的游泳速度;ρ为水的密度,取1 g/cm3;sV为机器人JRT在竖直方向游泳时的投影面积,约为33.2 cm2;c为阻力系数,将通过后续实验数据获取.沿竖直方向的加速反作用力GV、沿竖直方向的动量变化力SV与加速度正相关,当机器人JRT匀速游泳时,二者将为0.

因此,机器人JRT在姿态没有倾斜的状态下,游泳过程中的力平衡关系[5]可表示为

F-T-(FG-FB+DV+GV+SV)=m duVdt

式中:t为时间.令FG-FB+DV+GV+SV=WV表示机器人JRT沿竖直方向游泳时受到的总反作用力,式(4)可变换为

F-T-WV=m duVdt

由式(5)可以判断机器人JRT沿竖直方向的游泳具有以下几种运动状态.

(1) 当F-T>WV时,有duV/dt>0 cm/s2,机器人JRT沿竖直方向加速游泳.

(2) 当F-T<WV时,有duV/dt<0 cm/s2,机器人JRT在重力作用下,可沿竖直方向减速游泳,或向下加速游泳.

(3) 当F-T=WV时,有duV/dt=0 cm/s2,GV和SV均为0 mN,即F-T-(FG-FB)=-DV.此时,机器人JRT将沿竖直方向匀速游泳(uV≠0 cm/s)或悬停(uV=0 cm/s).

2.2 水平方向游泳运动状态分析

当控制重心调整机构使机器人JRT姿态倾斜θ之后,仿水母推进器产生的推进力也将倾斜θ,具体如图9所示.此时,推进力可分解为沿竖直方向的力FV和沿水平方向的力FH:

FV=F-Tsin θFH=F-Tcos θ

图9

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图9   机器人JRT水平游泳状态受力分析

Fig.9   Force analysis of JRT in horizontal swimming state


在这一状态下,控制FV=WV,且uV=0 cm/s,则可使机器人JRT保持在指定高度.同时,机器人JRT将受到沿水平方向的流体阻力DH、沿水平方向的加速反作用力GH、沿水平方向的惯性力SH,以及力FH的作用.沿水平方向游泳的阻力DH的计算公式为

DH=- cρsHuH22

式中:uH为机器人JRT沿水平方向的游泳速度;sH为机器人JRT在水平方向游泳时的投影面积,取值约为30 cm2.另外,沿水平方向的加速反作用力GH、沿水平方向的动量变化力SH与加速度正相关.当机器人JRT匀速游泳时,二者将为0.

因此,机器人JRT沿水平方向的力平衡关系可表示为

FH-(DH+GH+SH)=mduHdt

此外,令DH+GH+SH=WH表示机器人JRT沿水平方向游泳时受到的总反作用力,式(8)可变为

FH-WH=mduHdt

由式(9)可知,在机器人JRT保持在指定高度不变的情况下,将具有以下几种运动状态.

(1) 当FH>WH时,duH/dt>0 cm/s2,机器人JRT沿水平方向加速游泳.

(2) 当FH<WH时,duH/dt<0 cm/s2,机器人JRT将沿水平方向减速游泳.

(3) FH=WH时,duH/dt=0 cm/s2,机器人JRT将沿水平方向匀速游泳,此时FH=-DH.

基于上述运动状态分析,可以通过调整加载到仿水母驱动器上的驱动电流IPP控制推进力F-的大小,进而实现机器人JRT在竖直方向游泳的运动控制;通过重心调整机构使水母机器人姿态产生倾斜,并结合仿水母推进器的推进力调整,可使机器人JRT沿水平方向运动.综上,机器人JRT可实现在水下三维空间内的任意轨迹控制.

3 机器人JRT轨迹控制实验研究

3.1 轨迹控制验证

为了验证机器人JRT的轨迹控制能力,开展相关实验研究.实验在长×宽×高为40 cm×40 cm×40 cm的玻璃水缸中进行.仿水母推进器的驱动电流脉冲信号由信号函数发生器产生,然后由功率放大器放大后加载到电磁线圈上;重心调整机构的驱动电源为数字可编程直流电源,并使用红外遥控器对Arduino Uno R3单片机进行控制,以实现机器人JRT的重心调整.在实验过程中,由实验人员观察机器人JRT轨迹,并操控单片机来改变重心调整机构的磁铁位移,使其沿相应方向产生姿态倾斜.

图10展示了机器人JRT的轨迹控制过程:

图10

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图10   机器人JRT的轨迹控制实验

Fig.10   Trajectory control experiment of JRT


(1) 在启动后,驱动机器人JRT沿竖直方向向上游泳,对应于图10中0.0~9.0 s.

(2) 降低施加在仿水母推进器上的驱动电流IPP,使水母机器人减速为0 cm/s,然后调整驱动电流IPP使推进力F-=FG-FB=41.2 mN,由此实现了机器人JRT的悬停,对应于图10中9.0 s.

(3) 控制重心调整机构使机器人JRT产生了向右3° 的倾斜,如图11所示.由于推进力F-被分解为FV和FH,且施加在仿水母推进器上的驱动电流IPP不变的情况下FV<F-V,所以机器人JRT因重力作用下降了一定高度.为此,增加了驱动电流IPP,使FV=FG-FB=41.2 mN,将机器人JRT定位在了指定高度,对应于图10中9.0~15.0 s.

图11

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图11   机器人JRT水平定向游泳时的倾斜姿态

Fig.11   Tilted posture of JRT during horizontal directional swimming


(4) 最后,水母机器人在水平分力FH的作用下沿水平方向做定向游泳,对应于图10中15.0~28.0 s.

通过上述过程实现了机器人JRT在水中的悬停、高度控制以及水平定向游泳控制.由此,可以结合重心调整机构的四组电磁驱动装置,实现机器人JRT在水下三维空间内的任意轨迹控制.机器人JRT还具有水平方向的电磁弹射功能.当其靠近于水缸壁时,驱动在水缸壁一侧的电磁驱动装置后,磁铁在向外移动瞬间将与水缸壁产生相互作用.这可对机器人JRT产生反冲力,并驱动其快速游离水缸壁.这一弹射过程使机器人JRT拥有了一定的机动能力.

此外,在控制重心调整机构的磁铁产生5 mm偏移时,机器人JRT的倾斜角度为3°.结合式(2)可以计算得到机器人JRT的稳心高度h≈6.3 mm.理论上通过调整施加在电磁线圈上的电流大小可以改变磁铁位移量Δxg,并以此改变机器人JRT的倾斜角度θ.但是,由于重心调整机构自身结构的限制,导致磁铁的最大位移量很小,尚未实现倾斜角的定量控制.所以,目前只能使机器人JRT倾斜3°.

3.2 轨迹控制效果

图12为机器人JRT水平定向游泳俯视图.图中:不同时刻表示为Ti;bi是Ti时刻机器人JRT边缘到白色剪头的距离;机器人JRT垂直于白色箭头游泳的距离表示为di=bi-b0,亦为机器人JRT沿白色箭头定向游泳的轨迹偏差,b0为初始时刻机器人JRT边缘到白色剪头的距离.值得注意的是,当利用电磁驱动重心调整机构的其中一个电磁驱动装置使机器人JRT产生倾斜时,由于水流的作用,机器人JRT会产生自旋,这将改变机器人JRT的水平游泳方向,所以需要根据实际情况对其倾斜方向进行调整.

图12

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图12   机器人JRT水平定向游泳实验

Fig.12   Horizontal directional swimming experiment of JRT


图12中的箭头颜色和方向变化表明了这一调整过程,根据机器人JRT的姿态和移动方向先后5次调整了倾斜方向.实验过程中还记录了图12中不同时刻机器人JRT的轨迹偏差di,数据结果如表1所示.表中:Pi为Ti时刻机器人JRT沿白色箭头游泳的距离(定向游泳距离).可见游泳过程中的轨迹偏差为0~3.4 cm,平均轨迹偏差为2.75 cm, 轨迹控制效果较好.此外,上述轨迹控制是由人为判断进行的,轨迹偏差还包含了人为操控的反应时间.因此,后续如果结合相应传感器进行反馈控制,将进一步提高轨迹控制效果.

表1   机器人JRT水平定向游泳的速度和轨迹误差

Tab.1  Speed and trajectory errors of horizontal directional swimming of JRT

Ti/sPi/cmuHi/(cm·s-1)di/cm
0.00.0——
8.04.10.512.0
11.06.10.672.6
15.08.00.983.0
17.010.21.103.4
25.019.81.202.0

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3.3 水平游泳速度分析

由图12得到了不同时刻的机器人JRT所处的位置Pi计算得到了不同时刻区间机器人JRT的水平游泳速度uHi,计算公式为

uHi= Pi-Pi-1Ti-Ti-1

相关数据结果如表1所示.不同时刻水平游泳速度uHi与时刻Ti之间的关系曲线如图13所示.结果显示,0.0~17.0 s区间机器人JRT的水平游泳速度随着时间的增加而增加,处于加速阶段,拟合得到其平均加速度约为0.067 cm/s2;在17.0~25.0 s区间JRT的水平游泳速度仅增加了0.1 cm/s.对图13数据关系进行拟合,得到:

uH=1.7exp -7.31T-2.17

式中:T为水平定向游泳时间.由式(11)可知,当游泳时间足够大时,水母机器人JRT将以1.7 cm/s的速度水平匀速游泳.

图13

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图13   机器人JRT在不同时刻的水平定向游泳速度

Fig.13   Horizontal directional swimming speed of JRT at different times


前文指出机器人JRT水平游泳时推进力沿竖直方向的分力FV=41.2 mN.另外,可以由图11得到机器人JRT沿水平方向游泳时的倾斜角θ=3°.由此,计算得到推进力沿水平方向的分力FH=FVtan θ=2.16 mN.这也是机器人JRT沿水平方向匀速运动状态下受到的阻力,即DH=-2.16 mN.进而,由式(5)可以得到水母机器人JRT的阻力系数:

c=- 2DHρsHuH2

结果为c≈0.50.

4 结论

本文研制了一种轨迹可控的微型水母机器人JRT.它由气室、重心调整机构和仿水母推进器三部分组成,尺寸为⌀6.8 cm×5.3 cm.基于运动状态分析提出了机器人JRT的轨迹控制方案:

(1) 不利用重心调整机构使机器人JRT姿态产生倾斜,通过控制仿水母推进器的驱动电流大小,可使机器人JRT沿竖直方向游泳或悬停.

(2) 利用重心调整机构使机器人JRT姿态产生倾斜,仿水母推进器的推进力可分解为水平和竖直方向的两个力,通过控制仿水母推进器的驱动电流大小使竖直方向的力FV=FG-FB,由此机器人JRT将在水平分力的驱动下做水平定向游泳.

本文通过实验验证了机器人JRT的上述游泳方案,其水平定向游泳的最大速度为1.72 cm/s;游泳过程中的轨迹偏差为0~3.4 cm,平均轨迹偏差为2.75 cm,具有较好的轨迹控制效果.总之,通过重心调整机构和仿水母推进器的协同控制,机器人JRT可以在水下三维空间内做任意轨迹的游泳,有望在水下资源勘查、环境监测等领域得到应用.

此外,机器人JRT还有一些需要完善之处.首先,由于重心调整机构自身结构的限制,尚未实现倾斜角的定量控制.后续将致力于重心调整机构的改进,以实现机器人JRT倾斜角度的控制.这将使机器人JRT的水平游泳速度具有可控性.其次,在后续研究中还将开发机器人JRT的控制系统,并集成相应的传感器模块,以实现自主巡航.

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The ocean and human activities related to the sea are under increasing pressure due to climate change, widespread pollution, and growth of the offshore energy sector. Data, in under-sampled regions of the ocean and in the offshore patches where the industrial expansion is taking place, are fundamental to manage successfully a sustainable development and to mitigate climate change. Existing technology cannot cope with the vast and harsh environments that need monitoring and sampling the most. The limiting factors are, among others, the spatial scales of the physical domain, the high pressure, and the strong hydrodynamic perturbations, which require vehicles with a combination of persistent autonomy, augmented efficiency, extreme robustness, and advanced control. In light of the most recent developments in soft robotics technologies, we propose that the use of soft robots may aid in addressing the challenges posed by abyssal and wave-dominated environments. Nevertheless, soft robots also allow for fast and low-cost manufacturing, presenting a new potential problem: marine pollution from ubiquitous soft sampling devices. In this study, the technological and scientific gaps are widely discussed, as they represent the driving factors for the development of soft robotics. Offshore industry supports increasing energy demand and the employment of robots on marine assets is growing. Such expansion needs to be sustained by the knowledge of the oceanic environment, where large remote areas are yet to be explored and adequately sampled. We offer our perspective on the development of sustainable soft systems, indicating the characteristics of the existing soft robots that promote underwater maneuverability, locomotion, and sampling. This perspective encourages an interdisciplinary approach to the design of aquatic soft robots and invites a discussion about the industrial and oceanographic needs that call for their application.

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针对自治水下机器人(AUV)编队协调控制问题，研究了基于传感探测系统的主从式编队协调控制方法.该方法能够避免AUV编队之间依靠水声通信而造成的通信延迟和数据丢失的问题，提高编队控制的可靠性以及生存能力.首先根据领航者位置信息和期望的编队队形得到跟随者的参考路径，跟随者可以实时测得领航者的距离和航向信息并与参考路径相对比.其次为了使跟随者轨迹在短时间内收敛于参考路径从而得到期望的队形，利用Lyapunov函数设计了反演控制器.最后对设计进行了编队控制的仿真.结果表明，AUV编队队形保持良好，所采用的方法具有很好的可行性.

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Jellyfish have attracted worldwide attention owing to their fantastic moving styles, which also inspired development in soft robotics to meet the demands of underwater surveillance. In this study, a soft robotic jellyfish integrated liquid metal coil, and magnetic field is proposed for the first time to mimic the soft rowing propulsion of oblate jellyfish. The soft robotic jellyfish is actuated by the entirely soft electromagnetic actuators that enabled the gentle motion. Through conceptual experiments and computational fluid dynamics simulations, we systematically interpreted the mechanism of this robotic jellyfish and various factors to dominate its movement behaviors, which involve vortex formation and ascending modalities. Besides, underwater monitoring and bio-friendliness of robotic jellyfish were also demonstrated to illustrate its potential application scenarios and gentle motion characteristics. This study will help to broaden the vistas for liquid metal enabled bionic robotics in a wide range of underwater applications.

VILLANUEVA A, SMITH C, PRIYA S.

A biomimetic robotic jellyfish (Robojelly) actuated by shape memory alloy composite actuators

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Thrust force characterization of free-swimming soft robotic jellyfish

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Untethered soft robotic jellyfish

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Small-scale soft robot with high speed and load capacity inspired by kangaroo hopping

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Limpet II: A modular, untethered soft robot

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Centimeter-scale underwater robot with high-speed inspired by jellyfish

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