作为一个车状游泳者，软体机器鱼从运动角度来看最重要的部分是其尾部通过分层粘合技术围绕双向柔性弯曲执行器设计，该执行器由两个基于形状记忆合金线的人造肌肉模块组成，每个人造肌肉模块都有四个独立的形状记忆合金线通道，因此能够产生四种不同的驱动。

这种设计能够根据形状记忆合金线的电阻反馈实施自适应调节控制策略，以防止它们过热，为了提高驱动频率到和散热率，并开发了循环加热策略，执行器的多功能性赋予软体机器鱼直线巡航和转弯能力，而且软体机器鱼具有良好的仿生保真度。

人工肌肉驱动的软体机器鱼

鱼的运动模式通常根据用于产生推力的鳍进行分类，身体和尾鳍以及中鳍和成对鳍模式是最主要的，大多数的鱼类使用尾鳍运动，游泳模式的区别在于鱼游泳时行进的波浪的波长，设计软体机器鱼的目标是大大缩小活体鱼和机器鱼之间的差距。

一些生物实验平台的不足和工程设计的挑战，许多基本问题仍然悬而未决，尽管目前有复杂的实验可用设置，但生物学家回答大多数这些问题所面临的困难是影响感兴趣特征的参数之间的固有耦合。这使得将一个参数与其他参数分离并分析其对感兴趣特征的影响变得非常困难，机器鱼已成为生物学家和对鱼类游泳流体动力学感兴趣的科学家的宝贵实验平台。

仿生机器鱼的工程设计挑战与活体鱼与机器鱼相比具有非常高的游泳效率有关，当机器人必须仿生时的传统执行器由于其刚性和缺乏顺应性而毫无用处，人们必须依赖柔软且智能的材料，这些材料已被证明具有多功能性并且能够轻松模仿动物。这些智能材料的问题是它们的非线性和滞后性，这极大地增加了建模和控制设计阶段的复杂性，已经开发了几种带有基于智能材料的执行器的软机器鱼，与使用传统执行器的机器鱼相比，智能材料赋予这些软机器人紧凑灵活和多模式运动的特点。

大多数软体机器鱼的仿生保真度并不令人满意，与大多数基于智能材料的执行器相比，基于形状记忆合金的执行器的优势在于其高功率密度和驱动应力，它们的允许驱动频率和可恢复应变较低。

由于尾鳍运动不需要高扑动频率，因此驱动频率不是问题，最重要的问题在于机械滞后和非线性相变，这使得控制器的设计变得困难，基于形状记忆合金的执行器的这些控制策略依赖于形状记忆合金的中间状态，这是不可预测且不可靠的，限制了它们的性能。使用自适应调节策略开发了一种新的加热方案，即循环加热策略，提高驱动性能，它们可以产生四个独立的精确弯曲幅度，而无需考虑形状记忆合金线的中间状态仅依赖于最终状态。

基于具有高仿生保真度的人工肌肉模块的软体机器鱼，特别是在肌肉-骨骼-神经冲动控制机制上，建立了双向柔性弯曲执行器的热力模型，软体机器鱼有两种游泳模式，即直线巡航和转弯。

拥有双向柔性弯曲执行器

尽管环境或尺度存在差异，自然选择和物种演化使得许多利用扇动翼、鳍实现推进的飞行、游进的生物拥有相似的运动学形态，例如，它们的斯特劳哈尔数（Strouhal Number(St),用来描述翼、鳍的运动学无量纲参数）都集中在0.2到0.4之间来实现最大的推进效率；同时研究者发现当它们在空中或水中稳态运行期间，这些自然“推进器”在扇动翼、鳍时，拥有类似的运动特征和弯曲角。

近年来，由于软材料和人类肌肉相近的弹性模量，利用柔性驱动器构造仿生机器人受到了广泛的关注。但是对于仿生软机器人，如何在模仿相似的扇动和弯曲的运动学形态，同时实现快速且高效的游动，成为一个亟待解决的难题。

研究团队提出了一种由双向弯曲柔性驱动器和预弯曲柔性扑翼组成的双稳态和多稳态的软扑动执行器，利用双稳态和多稳态间的快速突跳（Snapping），实现了类似蝶泳泳姿，高效且快速游动的软机器人。该机器人仅有2.8克，但可实现和海洋生物相似的高效运动模式（0.2 < St = 0.25 < 0.4），其速度可达每秒3.4个身长（比报道的同类最快软机器人快4.8倍） ，同时保持了低功耗和高机动性（每秒可转动157°）。

研究团队通过将两条平行的聚酯柔性带与中间的软气动双向驱动器桥接，使得柔性框架呈现出最初的“H”形形状。然后，连接“H”形带的两个尖端的同时引入横向扭转和压缩变形，形成一对具有预存储弹性应变势能的双稳态弯曲扑翼。其所形成的预弯曲扑翼的曲率和形状可以通过翼展 S 进行调整。居中的软驱动器小幅度弯曲可克服双稳态扑翼中的能垒 (ΔE)并同时触发快速突跳来带动扑翼的扇动，从而大大地放大了其拍打和旋转运动。

类似地，这种双稳态设计可以进一步扩展到多稳态设计。研究团队将两个软气动弯曲驱动器并联连接，中间由H形聚酯带粘合，形成多稳态结构。通过控制并联气动驱动器的弯曲，此软扑动执行器可以在四种稳态之间随意切换。需要注意的是，双驱动模式所克服的能垒 ΔE2 是单驱动模式 ΔE1 的两倍，即 ΔE2 = ΔE1。

机器鱼实现快速高效游动

表征活鱼游泳流体动力学的一个重要无量纲数是头部摆动因子，头部摆动系数定义为头尖振幅与尾鳍振幅之比，对于活鱼头部摆动因子范围在 0.15 到 0.40 之间，头部摆动因子越大，游泳效率越低。

一个头部摆动因子意味着重要的头部摆动幅度，这又意味着高锯齿状巡航和形状阻力的增加，因为纵向横截面因此增加，由于这种头部横向运动，会发生额外的能量耗散，其幅度随着行进距离的增加而增加。软体机械鱼在具有四个加热通道的情况下以 1.5 Hz 巡航时头部摆动系数位于活鱼的头部摆动系数范围内，这意味着软体机械鱼像活鱼一样游泳。

斯特劳哈尔数是鱼类流体动力学中重要的无量纲数，它测量尾鳍拍动转化为推进力的频率，活鱼的斯特劳哈尔数在 0.25 到 0.40 之间，软体机械鱼的斯特劳哈尔数分别为 0.61、0.63 和 0.64。

活鱼的斯特劳哈尔数与软体机械鱼之间的差异可能是由于表面波造成的额外阻力和干扰，因为软体机械鱼的一小部分位于水面之上。它在水下运动中的重要性可能与水比空气提供的高阻力有关，由于鱼具有非常高的机动性，因此这一概念在软体机器鱼领域中获得了显着的重要性，作为将机器鱼与活鱼进行比较的手段，将仅处理静止时的可操作性。

对称地驱动两个人造肌肉模块以使软体机器鱼能够直线前进，当驱动不对称时，软体机器鱼可以转动，由于总共可以实现10组不对称组合，操纵性已广泛应用于水下航行器中，以表征其改变方向的容易程度。同时，人造肌肉可以通过自适应调节加热策略根据加热通道的数量产生四种精确的驱动，软体机器鱼的速度随着加热通道数量和频率的增加而增加，在具有2或4个加热通道的自适应调节加热策略中，速度随着频率逐渐增加至1.5Hz然后开始下降。

与基于对鳍运动的机器鱼相比，基于尾鳍运动的机器鱼的可操作性较差，软体机器鱼在这方面实现了相当大的改进，软体机器鱼比之前报道的基于尾鳍运动的软体机器鱼更具机动性，由于这种机动性接近活鱼，因此软体机器鱼具有良好的仿生保真度。柔软智能材料制成的人造肌肉在模仿生物方面具有巨大潜力，在未来的工作中，应将改进结构设计并引入胸鳍，这应该允许软体机器鱼俯仰，并赋予它一般的高可控性，将利用其来设计强大的运动控制器。