Cycle-resolved Cephalopod-Inspired Pulsed-Jet Robot With High-Volume Expulsion and Drag-Reduced Gliding
作者: Yiyuan Zhang, Anye Zhong, Junkai Chen, Wenci Xin, Cecilia Laschi
分类: cs.RO, physics.flu-dyn
发布日期: 2026-05-07
备注: This work has been submitted to the IEEE for possible publication
💡 一句话要点
提出周期解析的头足类仿生脉冲喷射机器人，实现大体积喷射和低阻力滑行
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control) 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)
关键词: 仿生机器人 脉冲喷射 头足类动物 折纸结构 水下运动
📋 核心要点
- 头足类动物的脉冲喷射运动涉及喷射、滑行和外套膜再填充的协调周期，现有技术缺乏对此周期的完整模拟。
- 该论文设计了一种刚柔混合的折纸外套膜，实现大体积喷射和低阻力滑行，模仿头足类动物的运动周期。
- 实验表明，该机器人实现了0.5 m/s的峰值速度和0.2 m/s的平均速度，验证了所提出设计的有效性。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种受头足类动物启发的脉冲喷射机器人，该机器人具有刚柔混合的折纸结构外套膜，能够实现大体积、主动驱动和几何引导的身体变形。所提出的外套膜集成了刚性折叠面板和柔顺的硅胶框架，在喷射过程中实现了75%的有效腔体体积减少，并在收缩的滑行配置中将投影横截面阻力面积减少了约75.7%。基于此平台，我们构建了一个周期解析的框架，以分别研究喷射体积、滑行持续时间和再填充路径如何影响整个周期的运动性能。实验表明，该机器人在第一个喷射周期内达到了约0.5米/秒（3.8 BL/秒）的峰值速度和超过0.2米/秒（1.5 BL/秒）的平均速度。结果进一步证明了大体积收缩在速度产生中的作用、不同滑行持续时间下的减阻滑行以及外套膜孔径启发的被动入口阀在辅助再填充中的作用。这项工作提供了一种主动变形的头足类喷射推进的机器人实现，以及一个用于研究脉冲喷射运动中喷射-滑行-再填充动力学的统一实验平台。
🔬 方法详解
问题定义：现有水下机器人通常采用连续喷射或螺旋桨推进，效率较低。头足类动物的脉冲喷射推进具有高爆发速度和能量效率的潜力，但如何有效模拟其复杂的喷射-滑行-再填充周期是一个挑战。现有仿生机器人难以实现大体积喷射和低阻力滑行的同时优化。
核心思路：该论文的核心思路是模仿头足类动物的周期性喷射推进机制，通过设计一种具有刚柔混合折纸外套膜的机器人，实现大体积的喷射和低阻力的滑行。通过主动控制外套膜的变形，实现高效的喷射推进，并通过优化滑行姿态，降低水阻，提高整体运动效率。
技术框架：该机器人的整体架构包括：1）刚柔混合折纸外套膜，用于实现大体积喷射和低阻力滑行；2）驱动系统，用于控制外套膜的变形；3）控制系统，用于协调喷射、滑行和再填充过程。实验中，通过调整喷射体积、滑行时间和再填充路径等参数，研究其对运动性能的影响。
关键创新：该论文的关键创新在于：1）提出了一种刚柔混合折纸外套膜的设计，能够实现大体积的喷射和低阻力的滑行；2）构建了一个周期解析的实验框架，能够分别研究喷射、滑行和再填充过程对运动性能的影响；3）实现了高速度和高效率的脉冲喷射推进。
关键设计：刚柔混合折纸外套膜的设计是关键。刚性折叠面板用于提供结构支撑和实现大体积变形，柔性硅胶框架用于提供密封性和灵活性。外套膜的几何形状经过优化，以实现最大的体积收缩和最小的阻力面积。被动入口阀的设计模仿了头足类动物的外套膜孔径，辅助再填充过程。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，该机器人实现了0.5 m/s (3.8 BL/s) 的峰值速度和超过0.2 m/s (1.5 BL/s) 的平均速度。刚柔混合折纸外套膜实现了75%的有效腔体体积减少，并将投影横截面阻力面积减少了约75.7%。这些数据表明，该机器人在速度和效率方面都取得了显著的提升。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于水下勘探、水下救援、水下环境监测等领域。仿生机器人的高机动性和能量效率使其在复杂水域环境中具有优势。此外，该研究为理解头足类动物的运动机制提供了新的视角，并可用于开发更先进的仿生推进系统。
📄 摘要（原文）
Cephalopod pulsed-jet locomotion is not a single isolated expulsion event, but a coordinated cycle involving jet expulsion, passive gliding, and mantle refilling. Inspired by this cycle-resolved biological strategy, this paper presents a cephalopod-inspired pulsed-jet robot with a rigid-soft hybrid origami mantle that enables large, actively driven, and geometry-guided body deformation. The proposed mantle integrates rigid folding panels with a compliant silicone framework, allowing a 75% effective cavity-volume reduction during expulsion and reducing the projected cross-sectional drag area by approximately 75.7% in the contracted gliding configuration. Using this platform, we formulate a cycle-resolved framework to separately investigate how expelled volume, glide duration, and refill pathway influence whole-cycle locomotion performance. Experiments show that the robot reaches a peak speed of approximately 0.5 m/s (3.8 BL/s) and an average speed exceeding 0.2 m/s (1.5 BL/s) within the first jetting cycle. The results further demonstrate the roles of high expelled-volume-ratio contraction in speed generation, reduced-drag-area gliding under different glide durations, and mantle-aperture-inspired passive inlet valves in assisting refill. This work provides both a robotic implementation of actively deformable cephalopod-like jet propulsion and a unified experimental platform for studying expulsion-gliding-refilling dynamics in pulsed-jet locomotion.