【哈工大（深圳）宣】（智能学部 文/图）近日，哈工大深圳校区机器人与先进制造学院李兵教授、李曜教授团队在微小型机器人领域取得重要进展，提出了一种基于惯性驱动的无腿式两栖机器人设计方法，在厘米尺度实现了陆地爬行、连续跳跃与可控转向游动等多模态运动，为微型水陆两栖机器人提供了全新技术路径。相关研究成果以“Inertia-driven amphibious robot with asymmetric microundulatory fin arrays”为题发表在国际权威期刊《Science Advances》,哈工大深圳校区为论文第一完成单位，合作单位为香港中文大学。

足式机器人在复杂地形中具有良好的适应性，但在向厘米级甚至更小尺度缩减设计时，腿部结构、传动机构往往成为制约系统可靠性与体积进一步缩小的关键瓶颈。针对这一小型化难题，团队反其道而行之，提出“无腿化”整体封装设计方法：将所有执行器与控制部件完全封装于刚性壳体内部，通过内部惯性源输出动量，实现与外界环境的作用力，从根本上避免了外露运动部件带来的卡滞、磨损与失效问题。

图1无腿式微型水陆两栖机器人运动示意图

研究团队设计了一种可变输出的磁中性音圈电机（VCM）作为核心惯性驱动单元。通过调控驱动电压与换向时机，该驱动器能够在同一硬件平台上实现三种工作模式，突破了传统微型驱动器在“输出动量—工作频率”之间难以兼顾的技术限制，在厘米尺度系统中实现了爆发式跳跃与高频振动推进的统一。所研制的无腿机器人（Leglessbot）重量仅24克，依托内部惯性冲击可在沙地上实现约1.4倍体长每秒的运动速度，并能够连续跳跃、携带超自身重量40倍的负载，展现出优异的抗冲击能力与地形适应能力。同时，全封闭壳体结构在颗粒地形中有效分散冲击载荷，避免了传统腿式结构易陷入松散介质的问题。在水中，团队受生物瓣膜被动响应机制启发，设计了非对称布置的柔性微波动鳍片阵列。鳍片在机器人振动过程中与流体产生非对称耦合，通过频率调节实现推力差异，从而构建“惯性驱动多方向推进”（IDMP）机制。实验结果表明，仅通过改变驱动频率，即可在直行与左右转向之间切换，实现最小转弯半径仅5.6毫米的灵活水下运动。

图2微波动鳍片的瞬态流体动力学仿真

团队针对水中运动机理展开深入研究，进一步揭示了推力产生的瞬态流体动力学机理。如图2所示，通过粒子图像测速（PIV）与数值模拟系统揭示了水下推进的瞬态动力学过程。在30 Hz振动条件下，后冲程阶段鳍片周围产生交替符号的强涡结构（>150 s⁻¹），并沿鳍片由根部向末端传播，而两个静止阶段的涡强度明显减弱（<60 s⁻¹）。这表明主要动量交换集中发生在前、后冲程阶段。进一步对单周期推力与动量进行分析可见，冲程阶段产生显著的正负推力峰值（-3.38与+5.14 mN·s），而静止阶段贡献基本相互抵消；不同频率下的动量分解结果进一步证明，净推进力来源于前后冲程之间的不对称动量差。压力场与鳍片形变结果显示，在后冲程中鳍片张开、流体在根部形成更大的聚集区，从而产生更高局部压力与正向推力；而在前冲程中鳍片收缩以减小阻力。这种由结构倾斜与弹性形变共同导致的流固耦合非对称性，构成了“惯性驱动多方向推进”（IDMP）的物理基础，使机器人仅通过调节振动频率即可实现直行与转向切换。

该成果系统性地阐明了惯性驱动在两栖机器人中的多模态调控机制，证明在无需外部主动传动机构的前提下，可通过频率依赖的结构响应实现运动控制。相关设计理念为小型化水下探测、灾害搜救与复杂环境巡检等应用场景提供了可靠、紧凑的技术方案。（编辑 谢梁晖 审核 张惠屏 陈南坤）