可调谐双稳态推进系统在水下机器人中的应用
2025年8月22日上午，由北京邮电大学学术委员会办公室、电子工程学院主办的2025年北京邮电大学“前沿邮我”系列学术报告之（二十八）在教三楼108成功举办。本场报告邀请了景兴建教授作题为“可调谐双稳态推进系统在水下机器人中的应用（Aquatic Robots with Tunable Bi-stabile Propulsion）”学术报告。报告由智能信息物理融合研究实验室主任刘绍华博士主持。
报告伊始，景兴建教授先介绍了香港城市大学的发展现状，以QS、软科、U.S.News等国际排名为例，展现学校学术影响力。他提及前年曾到访北邮分享非线性动力系统相关内容，此次则聚焦水中机器人具身智能领域，带来团队近十年的研究成果——可调双稳态推进水中机器人技术。
景教授指出，传统仿生水下机器人多采用多电机关节设计，仅能实现平面运动，且鱼尾摆动轨迹难以预测、可控性差。为突破这一局限，其带领的香港城市大学振动与控制实验室创新采用“X型非线性结构”设计仿生鱼尾，结合弹性脊柱构建可调双稳态机制，使鱼尾末端轨迹通过并联机构矢量闭环方程可解析、可设计、可复现，彻底解决了传统方案“能摆动却难控制”的问题。
随后，景教授详细阐述了该技术的核心原理：通过链式梁约束模型描述弹性脊柱的力-位移关系与应变能，实现“储能—释能—推进”的物理过程量化计算。在单稳态模式下，尾迹轨道可通过解析表达式显式描述，便于驱动相位精准控制；切换至双稳态模式时，弹性脊柱能在两稳定构型间跨越能量屏障，瞬时释放储存能量，相较传统纯电机或气动摆尾方案，推进力提升约30%。
报告中展示的实验数据进一步印证了技术优势。原型机在低频驱动下，可达到0.8m/s的速度，单位距离能耗从传统方案的24J/m优化至8-10J/m量级，在与同类仿生机器人的对比中，速度-能效平衡表现更优。同时，合适的尾摆轨迹设计让机器人转弯速度更快、半径更小，运动形态更接近真实鱼类；且通过参数化设计，“软脊柱+软尾鳍”组合适配低速段高效巡航，“硬脊柱+中等刚度尾鳍”组合更适合高速推进，实现不同速度区间性能最优。
在互动问答环节，现场学生围绕技术原理、实际应用等问题积极提问。针对“双稳态比单稳态优势的理论原理”，景教授解释，双稳态通过能量突变实现节能，虽会产生一定顿挫感，但属于机制固有特性，真实鱼类也无法完全避免；关于“仿真鱼转弯实现方式”，他表示可通过调整电机周期控制尾摆轨迹达成；当被问及“湍流对仿真鱼的影响”，他指出当前实验基于水池环境，团队可根据不同水体任务需求定制鱼体体态；对于“设计灵感是否源于鱼脊柱仿生”、“是否需特殊电路配合模式切换”等问题，他明确回应，灵感源于非线性结构力学，而非仿生鱼脊柱，且现有电路可满足模式切换稳定性与能效需求，无需特殊设计。
最后，景教授还分享了自身多年的科研与教学经验，鼓励同学们在学术研究中勇于突破传统思维，善于将非线性等“看似干扰的因素”转化为创新资源。本场报告不仅展现了仿生水中机器人领域的前沿技术成果，也为北邮师生提供了跨学科交流的宝贵机会，进一步激发了大家对机器人具身智能领域的研究兴趣。
