軟體機(jī)器人技術(shù)的蓬勃發(fā)展為機(jī)器人領(lǐng)域開辟了仿生智能新維度。本書以氣壓驅(qū)動(dòng)的水陸兩棲軟體仿生機(jī)器人為研究對(duì)象，旨在構(gòu)建跨介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)性解決方案。面對(duì)非結(jié)構(gòu)化復(fù)雜環(huán)境中傳統(tǒng)機(jī)器人的適應(yīng)性局限，本書通過(guò)融合仿生學(xué)原理、非線性力學(xué)建模與智能控制理論，探索柔性結(jié)構(gòu)與多模態(tài)運(yùn)動(dòng)的協(xié)同機(jī)制，為復(fù)雜環(huán)境作業(yè)機(jī)器人提供了創(chuàng)新范式。
本書的編寫意圖在于打通生物啟發(fā)理論建模工程實(shí)現(xiàn)的技術(shù)鏈條。基于對(duì)海獅前鰭狀肢水下推進(jìn)機(jī)理、尺蠖陸地爬行推進(jìn)機(jī)理、水下生物尾部左右擺動(dòng)以及背腹式運(yùn)動(dòng)推進(jìn)機(jī)理的深入解析，建立仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；針對(duì)硅橡膠材料大變形特性，發(fā)展高精度力學(xué)表征方法；為解決水陸兩棲環(huán)境切換運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性難題，基于CPG運(yùn)動(dòng)控制算法，提出分層智能控制架構(gòu)。這一研究體系不僅深化了對(duì)軟體機(jī)器人多物理場(chǎng)耦合規(guī)律的認(rèn)識(shí)，而且推動(dòng)了理論成果向工程應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。
本書的顯著特點(diǎn)體現(xiàn)在三個(gè)方面：首先，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科深度交叉，貫穿仿生設(shè)計(jì)、材料力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、控制工程及快速制造工藝的知識(shí)脈絡(luò)，形成完整的技術(shù)閉環(huán)；其次，突出方法論創(chuàng)新，從柔性機(jī)構(gòu)的弦/展向耦合變形理論到基于中樞模式發(fā)生器的運(yùn)動(dòng)控制策略，均體現(xiàn)了原創(chuàng)性探索；最后，注重實(shí)踐驗(yàn)證，通過(guò)樣機(jī)系統(tǒng)構(gòu)建與多場(chǎng)景測(cè)試，證實(shí)理論模型的有效性與工程可行性。
在適用范圍上，本書面向機(jī)器人工程、仿生機(jī)械、智能材料等領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究者與工程實(shí)踐者。高等院校相關(guān)專業(yè)的研究生可將本書作為軟體機(jī)器人專題課程的教材；科研人員可從中獲得仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化、流固耦合仿真等前沿方法的參考；工程技術(shù)人員則可借鑒樣機(jī)制造工藝與系統(tǒng)集成方案，應(yīng)用于特種機(jī)器人的開發(fā)與實(shí)踐。
全書編寫采用問題導(dǎo)向模型構(gòu)建實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的邏輯框架。開篇章節(jié)概述了軟體機(jī)器人的發(fā)展脈絡(luò)與技術(shù)挑戰(zhàn)，確立了水陸兩棲軟體仿生機(jī)器人系統(tǒng)的研究?jī)r(jià)值。隨后基于生物原型分析提出了仿生異構(gòu)體融合設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)數(shù)值仿真驗(yàn)證了多環(huán)境下運(yùn)動(dòng)的可行性。在理論建模部分，重點(diǎn)闡述了驅(qū)動(dòng)器的非線性力學(xué)行為表征、運(yùn)動(dòng)學(xué)軌跡預(yù)測(cè)及動(dòng)力學(xué)模型，為精準(zhǔn)控制奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)軟體致動(dòng)器柔性變形與流體相互作用的增效機(jī)制研究，揭示了機(jī)器人水下推進(jìn)機(jī)理，并建立了爬行運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器特性模型�？刂撇呗哉鹿�(jié)提出了分層智能架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)模式的自適應(yīng)切換。最終通過(guò)樣機(jī)系統(tǒng)構(gòu)建與全場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)，完成從設(shè)計(jì)理念到物理實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)驗(yàn)證。
本書主要由沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)共融機(jī)器人與智能器件研究團(tuán)隊(duì)趙文川老師、郭忠峰副教授、張禹教授、史美君老師、劉慧嬌老師以及徐威老師共同完成。趙文川老師主持研究框架設(shè)計(jì)并主導(dǎo)了仿生構(gòu)型、水下推進(jìn)機(jī)理與控制算法的創(chuàng)新研究及撰寫；郭忠峰副教授負(fù)責(zé)非線性力學(xué)建模的理論體系構(gòu)建及陸地爬行推進(jìn)機(jī)理的研究及撰寫；張禹教授負(fù)責(zé)仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及快速制造工藝的創(chuàng)新研究部分及撰寫；史美君老師和徐威老師主要負(fù)責(zé)樣機(jī)搭建和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié)的工作及撰寫；劉慧嬌老師主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)節(jié)的工作及撰寫。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)的研究生參與了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與文獻(xiàn)整理工作。本書的出版承蒙遼寧省自然科學(xué)基金（2024011796?JH3/4700）及沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)跨學(xué)科研究計(jì)劃的支持，部分成果已在生態(tài)監(jiān)測(cè)裝備中示范應(yīng)用。
謹(jǐn)向引用的國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)成果作者致謝，他們的開創(chuàng)性工作為本研究奠定了重要基礎(chǔ)。軟體機(jī)器人領(lǐng)域仍處于快速發(fā)展階段，書中未盡之處懇請(qǐng)讀者指正，期待與學(xué)界同仁共同推進(jìn)該技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。