Force Characterization of Insect-Scale Aquatic Propulsion Based on Fluid-Structure Interaction

📄 arXiv: 2510.26837v1 📥 PDF

作者: Conor K. Trygstad, Nestor O. Perez-Arancibia

分类: cs.RO, physics.flu-dyn

发布日期: 2025-10-29

备注: To be presented at ICAR 2025 in San Juan, Argentina

💡 一句话要点

基于流固耦合，研究人员对昆虫尺度水下推进器的推力特性进行了表征

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 微型机器人 水下推进 流固耦合 形状记忆合金 力传感器

📋 核心要点

  1. 现有昆虫尺度水下推进器缺乏系统性的力特性研究，难以优化推进效率和控制。
  2. 该研究基于反作用力理论框架，设计实验测量单尾和双尾推进器的推力大小。
  3. 实验结果首次测量了此类推进器的瞬时推力，为流固耦合驱动的微型机器人推进提供了数据支持。

📝 摘要（中文）

本文针对微型机器人游泳器，提出了两种新型昆虫尺度推进器的力特性表征方法，分别是单尾推进器和双尾推进器，它们都利用流固耦合(FSI)产生推力。这两种设备的设计灵感来源于鳗鱼式游泳，并由高能量密度(HWD)驱动器驱动的软尾提供动力，该驱动器由形状记忆合金(SMA)线供电。虽然这些推进器已被证明适用于微型机器人水下运动，并且可以通过简单的架构在二维(2D)空间中进行轨迹跟踪控制，但相关力的特性和大小尚未得到系统研究。在本文的研究中，我们采用了一种基于反作用力的理论框架，并使用定制的微牛级分辨率力传感器获得了用于表征的实验数据。对于测试的单尾推进器，我们测得的最大和周期平均力值的多次测试平均值分别为0.45 mN和2.97微牛。对于双尾推进器，我们测得的最大和周期平均力值的多次测试平均值分别为0.61 mN和22.6微牛。这些结果代表了对此类昆虫尺度推进器产生的瞬时推力的首次测量，并为高效微型机器人推进的流固耦合提供了见解。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决昆虫尺度水下推进器推力特性缺乏系统研究的问题。现有方法难以准确测量和表征此类推进器的推力，限制了其在微型机器人水下运动控制和效率优化方面的应用。现有方法的痛点在于缺乏高精度、高灵敏度的力测量手段，以及缺乏对流固耦合作用下推进器推力产生机制的深入理解。

核心思路：论文的核心思路是通过实验测量，结合反作用力理论框架，系统地表征单尾和双尾昆虫尺度推进器的推力特性。通过定制高精度力传感器，测量推进器在运动过程中产生的瞬时推力，并分析其最大值和周期平均值。这种方法能够直接反映推进器的推力性能，为优化设计提供依据。

技术框架：该研究的技术框架主要包括以下几个阶段：1) 设计并制造单尾和双尾昆虫尺度推进器，其驱动方式为形状记忆合金(SMA)线驱动软尾摆动；2) 定制微牛级分辨率的力传感器，用于精确测量推进器产生的推力；3) 进行实验测量，记录推进器在不同工况下的推力数据；4) 基于反作用力理论，分析实验数据，提取推进器的最大推力和周期平均推力等关键参数；5) 对比分析单尾和双尾推进器的推力特性，为推进器设计提供指导。

关键创新：该研究最重要的技术创新点在于首次实现了对昆虫尺度水下推进器瞬时推力的精确测量。与以往的研究相比，该研究采用定制的高精度力传感器，能够捕捉到微小的推力变化，从而更准确地表征推进器的推力特性。此外，该研究还对比分析了单尾和双尾推进器的推力性能，为推进器的设计提供了新的思路。

关键设计：关键设计包括：1) 推进器的尾部采用柔性材料，以实现高效的流固耦合；2) 形状记忆合金(SMA)线驱动器的选择，保证了推进器具有足够的驱动力和响应速度；3) 力传感器的设计，需要满足微牛级分辨率和高灵敏度的要求；4) 实验参数的设置，包括驱动频率、电压等，需要进行优化，以获得最佳的推力性能。

📊 实验亮点

实验结果表明，单尾推进器的最大推力为0.45 mN，周期平均推力为2.97微牛；双尾推进器的最大推力为0.61 mN，周期平均推力为22.6微牛。双尾推进器在周期平均推力上显著优于单尾推进器，表明双尾设计在提高推进效率方面具有优势。这些数据为后续推进器设计和优化提供了重要的参考依据。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于微型机器人水下探测、环境监测、医疗诊断等领域。通过优化推进器设计，提高微型机器人的运动效率和控制精度，使其能够在复杂的水下环境中执行任务。未来，该技术有望应用于生物医学工程，例如开发用于血管内导航的微型机器人。

📄 摘要（原文）

We present force characterizations of two newly developed insect-scale propulsors--one single-tailed and one double-tailed--for microrobotic swimmers that leverage fluid-structure interaction (FSI) to generate thrust. The designs of these two devices were inspired by anguilliform swimming and are driven by soft tails excited by high-work-density (HWD) actuators powered by shape-memory alloy (SMA) wires. While these propulsors have been demonstrated to be suitable for microrobotic aquatic locomotion and controllable with simple architectures for trajectory tracking in the two-dimensional (2D) space, the characteristics and magnitudes of the associated forces have not been studied systematically. In the research presented here, we adopted a theoretical framework based on the notion of reactive forces and obtained experimental data for characterization using a custom-built micro-N-resolution force sensor. We measured maximum and cycle-averaged force values with multi-test means of respectively 0.45 mN and 2.97 micro-N, for the tested single-tail propulsor. For the dual-tail propulsor, we measured maximum and cycle-averaged force values with multi-test means of 0.61 mN and 22.6 micro-N, respectively. These results represent the first measurements of the instantaneous thrust generated by insect-scale propulsors of this type and provide insights into FSI for efficient microrobotic propulsion.