声涡流驱动微型仿生游泳机器人，实现精准二维运动控制

抖音热门 2026年05月11日 02:11 52 aa

如果把微型机器人放进一杯水里，它要如何前进、转弯，甚至沿着指定路线运动？看似直观的动作，一旦缩小到毫米尺度，就会变成一连串工程与物理层面的难题。随着机器人尺寸不断缩小，传统的螺旋桨、电机等推进方式逐渐显露出局限：结构难以进一步微型化，机械部件容易失效，还会对周围流体产生明显扰动。

声波，尤其是超声波，正是其中一个备受关注的选择。它能够在水等介质中传播，又不需要复杂的机械接触，看起来似乎很适合微型系统。问题在于，声波要怎样“推”着一个物体走？更进一步，能否不仅向前，还能精确地控制方向，在二维平面内完成转弯和复杂轨迹？

近日，美国罗文大学机械工程系的一个研究团队在 Advanced Science 期刊上发表了一项研究，提出了一种基于聚焦声涡流透镜的微型机器人游泳推进系统，实现了在水面上的精确二维轨迹控制。该研究在微操作、环境监测和生物医疗等领域具有应用潜力。

用“声波漩涡”代替马达

该方法的核心在于超声波的特殊调制，形成一种高效的非接触式推力。研究人员使用中心频率为1 MHz的压电换能器，并在其前方安装一个3D打印的螺旋相位声学透镜。这种透镜能将原本平面传播的超声波，转换为具有螺旋波前的“声涡”——其声场结构中心低压、环形高强度，能够携带轨道角动量，在流体中诱导出旋转流动。

这一设计的灵感源于自然界中水母的运动方式：水母通过收缩其伞状体，向后喷射涡环，利用流体的反作用力推动自身前进。

与之相似，当声涡聚焦于水面下方时，它会在局部流体中产生旋转流场和不对称的压力分布，从而对漂浮在水面上的机器人施加一个净推力，实现无声、无机械部件的推进。

微型机器人游泳器的设计与工作原理。a）微型机器人游泳器的示意图；b）使用声涡的声学推进系统工作原理；c）生物推进与所提出的声涡推进的比较。左：水母通过钟形体的节律性收缩产生推力，形成涡环推动自身前进；右：微型机器人游泳器利用外部施加的聚焦声涡，无需物理附属结构即可产生前进运动。

为实现精准的二维运动控制，机器人在底部布置了两个独立的声涡推进单元，彼此成90度夹角。通过分别调节每个单元的声强输出，系统可在水平面内合成任意方向的推力矢量，从而灵活实现前进、转向、旋转以及复杂的轨迹追踪。

实验验证

研究团队构建了一个70 mm × 80 mm的D形浮体作为机器人平台，在静水水槽中进行测试。当前原型仍处于厘米尺度，但其设计理念面向未来微型化应用。

示意图包含以下组件：Arduino控制卡、计算机、函数发生器、射频功率放大器、电子开关、摄像头、微型机器人游泳器、水槽。此图展示了整个实验系统的构成和信号/控制流程：从计算机指令到Arduino，再到函数发生器和功率放大器驱动换能器，最后通过摄像头进行运动捕捉，形成了一个完整的开环控制测试平台。

实验结果显示，在最大输入电压（约40 Vpp）下，机器人运动速度可达67 mm/s。研究人员预设了“之”字形（Zigzag）路径和字母“R”的轨迹，通过高速摄像与图像追踪系统评估其运动性能。

字母“R”形运动序列及测量结果

结果表明，位置重复性误差控制在±3.5 mm以内，轨迹跟踪准确率分别达到90.83%（之字形）和94.74%（R形）；速度控制的相对误差小于17%。在人为制造的水面扰动条件下，机器人仍能完成物体运输、结构巡检等任务。

此图展示了游泳器在模拟真实环境扰动（机械波）下的应用潜力

整个系统无需电池或机载动力，能量完全由外部超声源提供。由于工作频率为1 MHz（远高于人耳可听范围20 kHz），运行过程安静，且不会对周围环境造成明显机械干扰。

优势与现实限制

声涡驱动具有若干潜在优势。与依赖透明介质的光驱动、可能产生电磁干扰的磁驱动、或需要特定燃料的化学驱动相比，它最大的优势在于环境兼容性强：既能在浑浊液体中工作，也适合金属容器环境。同时，其推力可通过电信号快速调节，响应灵敏。从原理上看，只要按比例缩小换能器和声学透镜，该系统有望推动机器人进入更小的毫米甚至微米尺度。

研究也明确指出了当前系统的局限：目前的原型机仍需有线供电，限制了其活动范围；运动控制也依赖预设的开环指令，缺乏实时反馈与自主纠偏能力。实验数据还揭示了一个效率悖论：输入功率越大，虽能获得更高速度，但单位电能产生的推进效益反而下降，提示在能效优化上存在重要设计空间。

此外，若想真正迈入微观世界，还需克服声场在微小尺度下的聚焦精度、更高要求的制造工艺，以及此时变得不容忽视的流体黏滞力等诸多难题。

应用前景

论文作者强调，该技术目前主要适用于受控实验室环境，如微流控芯片中的液滴操控、封闭反应器内的无侵入巡检，或对生物样本扰动敏感的水体监测任务。研究并未涉及体内医疗、海洋探测或大规模集群协作等复杂场景，相关延伸仍需大量后续工作。

“我们的目标不是立刻替代现有微型机器人，而是提供一种新的驱动选项，”研究人员表示，“特别是在那些无法使用磁铁、光线受限、或需要避免机械扰动的场合。”

这项工作展示了声学方法在微型机器人领域的潜力，也为非接触式精密操控提供了新的物理思路。

论文信息：Ellouzi, C., Andrianto, N., Vosgerichian, G., et al. (2025). Miniature Robotic Swimmer with Precise 2D Motion Control via Acoustic Vortex‐Induced Propulsion. Advanced Science. DOI: 10.1002/advs.202515389