1实验装置
首先，对实验装置进行介绍。实验设计了伺服拖动系统，进行流体动力实验来确定推进效率。整个伺服拖动系统由4000W的交流电机驱动，同时被用于测量水下机器人自主推进的流体动力参数。整个装置的拖曳速度范围从0.005m/s到1m/s，速度误差为0.2%。图2中展示了一个自推进实验装置的机械结构，其机器鱼及其附属组件被垂直连接到力传感器下，同时力传感器由螺丝固定在推进实验装置上。机械鱼整体没入了水下，连接机器鱼和力传感器的杆在水面之上。采用一个测量范围1N，灵敏度为0.01N的传感器测量轴向推力T（见图2）。在同时在连接处设置了一个低阻轴承。根据杠杆原理，力传感器上的力数值将会使作用在鱼身上的合力放大100倍。鱼的质心G被设置在杆下，以便减少重力在实验过程中的影响。控制单元和机器鱼的电源被安装在了一个沿着拖动方向（前进方向）运行的实验装置上。水槽尺寸为7.8m×1.2m×1.1m，提供给了机器鱼一个足够大，移动不受边界影响的空间。机器鱼的位置处于水槽的中等深度以避免任何来自表面和水槽底部的干扰。目前本实验只考虑到了机器鱼游动的前进方向，对其横向移动以及滚转进行了限制。这个简化的实验方法（例如：增加了横向约束和滚转约束）被广泛的使用在了单独考虑直线游动的鱼类游动流体动力实验研究上。实验中使用NicoletVisionXP来记录实验数据。
2游动速度的测量
机器鱼的速度是推进效率中一个重要的参数，本节将通过实验对其进行测量。在本实验中，机器鱼在水槽中由IPMC推进自由游动，并利用一个计时器测量并记录鱼在稳定游动状态下游过一个给定距离（10cm）的时间。同时在振幅vA=3.3V的情况下以不同频率的正弦电压驱动来对比不同情况下的机器鱼游动速度。如图3机器鱼在水槽中游动。在每一个驱动频率下，对机器鱼的速度重复测量5次，最终得到了巡游速度expU的平均值。图4中显示了IPMC机器鱼在水中自由游动的实验数据。对于每一个IPMC鱼尾，都有一个相应的最佳驱动频率（接近于1.4HZ）,使其能够达到最高的游动速度。实验表明，当激励频率变得相对较高或较低时，IPMC机器鱼的速度就会下降。
3推进力的测量
本小节通过流体力学实验研究了IPMC机器鱼的推动力和阻力。当机器鱼游动时，推进力和阻力是以合力体现的，因此推力不能直接的被测量，所以设计拖拽系统来测量IPMC产生的推进力。传统机器鱼样机的流体动力学实验模型的理论中，在前进方向上Text≠0，也就是说推进力并不等于阻力。因此，多余的力被外部的部件所吸收。也就是说，机器鱼并不是自驱动的，而是在一个在外部约束的情况下被迫的移动，同时推进力和阻力也不相等。考虑到主动和被动的拖拽方法，本文提出了一个全新的，结合了各自的特点的自推进实验方法。图4中测量并得到了在不同的尾部结构下，机器鱼在伺服拖动系统下的拖动速度。在每一个速度Uexp下，IPMC对应相应的正弦电压输入。在上节测量自由游动速度Uexp过程中也许会有一些误差（例如：鱼并不是直线游动，同时人为的时间测量误差也存在）。在拖拽实验时通过调整拖拽的速度，以确保外部力T=0。根据牛顿定律，当阻力FD等于推进力Texp时，也即当检测力T=（FD-Texp）×100=0时，可以认为没有了上端的部件作用在其上的外部附加力，即机器鱼是自推进状态下游动。在实验过程中IPMC机器鱼在自推进状态的游动范围是70cm。期间进行了超过100组的实验对其进行了测试。接下来对推进力Texp进行测量。当机器鱼以速度Uexp游动时，可以通过测量阻力FD来得到推进力Texp。为了得到阻力FD，将IPMC的输入电压设置为零值。在系统下以速度Uexp拖拽机器鱼，就可以测得阻力FD。在此实验中，对于每一个游动速度Uexp，分别对其进行了三次阻力实验测量，以保证实验结果的重复性和准确性。整个过程进行了超过70次的实验。图5中展示了不同尺寸的IPMC鱼尾的机器鱼推进力实验结果比较。当频率接近1.4Hz时，IPMC尾部产生的推进力达到了最大值，此结果与之前图4中展示的IPMC机器鱼游动速度的结果相对应。本实验同样展示了推进力可以通过增加执行机构的长度和末端的最大位移来提高推进力。图6显示了IPMC机器鱼在不同速度下的推力。总体上，当机器鱼速度较大时，所输出的推力也较大。
4能耗测量
为了得到机器鱼在流体中游动状态下的能量输出，需要测量在不同情况下IPMC尾部的能耗。首先，IPMC尾部根据小节2.2中电压的输入在水下进行摆动。通过激光感应器测量末端位移Dflu。利用了示波器来对Dflu成像。图7中给出了能耗测量装置的示意图，在实验过程中记录同步电压输入和电流输出以及Dflu。之后，IPMC尾部在相同的电压输入下在空气中摆动。基于示波器上的显示，通过控制放大器上的电压输入，将IPMC在空气中的位移调整到与Dflu一致，同时测量了IPMC在水下和空气中的振动过程中电压值Uflu，Uair和电流Iflu，Iair的值。在一个周期内频率f下IPMC机器鱼尾输出的平均能量可以通过以一下方程得到：实验发现，在同样的电压输入下，IPMC在空气中的形变要比水中运行时大。图8给出了在频率为1Hz下，等振幅下空气中和水下IPMC尾部能耗，电压电流输出的比较。并对不同的频率下IPMC的尾部输出能量进行测量。图9给出了流体中两个IPMC尾部的能量输出。发现随着频率的增加，IPMC尾部的能耗输出显著的增大。考虑到当频率相对增加时IPMC机器鱼的推进力和速度下降的现象（图4，图5），可以认为当频率相对较低时存在一个推进效率的最佳值。在实验中，同样可以观察到IPMC尾部的振幅随着频率的增加而降低。最后，由之前的实验得到了IPMC机器鱼的推进效率实验结果。基于对推进力Texp，速度Uexp，能耗expP的测量，以及公式（1），便能获得IPMC机器鱼推进效率的实验数据exp。图10中展示了推进效率的实验数据结果exp。可以发现，当频率最初增加时效率就会增加，当频率相对较高时效率反而会下降。当频率接近1Hz时推进效率达到了最大值。同时不同的尾部会有不同的推进效率。图11中给出了一个三维图像展示了在不同的IPMC激励频率下的效率和速度的对比。当激励频率接近1Hz时，机器鱼可以达到较高的效率，同时也得到了相对较高的速度。可以认为当它的驱动频率接近效率的最优点时，IPMC机器鱼在推进速度和推进效率上都可以达到一个很好的效果。表2显示了不同仿生机器鱼的推进效率对比。之前在该实验装置下开展了对仿生机器鱼推进效率的实验研究[12]，基于“自主推进”条件的实验测量方法，通过光机电一体化技术同步测量了机器鱼的功耗、外力以及流场结果，并定量估算了机器鱼的推进效率。测量结果表明，机器鱼的推进效率与前人的3D-CFD数值计算取得较为一致的结果[13]。与本文实验结果进行对比，可以发现IPMC仿生机器鱼推进效率较低，通过对比图6和图9，相对于IPMC输出推力，其消耗功率较大，这由IPMC本身特性所决定。同时，IPMC机器鱼在水中游动时，其正负电极两端的电势差也会导致水发生电解反应，这也是造成IPMC机器鱼功率消耗较高的原因。
5结论和对未来的研究
本文提出了一种新型的实验方法用来研究IPMC机器鱼推进效率。利用不同大小和厚度的IPMC进行了实验测试。整个的实验是在一个伺服拖拽系统下进行的。提出了一种全新的测量方法：通过测量作用在鱼身上的力来确定拖拽速度。在自推进的情况下成功的测量了机器鱼的推进效率。结果表明，这个模型可以很好地表现IPMC推进鱼在游动状态下的效率。重要的是，当频率接近1Hz时，得到了IPMC鱼的效率峰值2.3×10-3。同时对于驱动效率的最佳驱动频率也与最佳驱动速度所需要的频率相接近。此外，机器鱼的效率随着驱动频率的变化，先增大后减小。接下来的工作将着重研究柔性鱼鳍对IPMC推进机器鱼游动特性的影响，同时未来将关注刚性鱼鳍等方面。未来的工作同样也会包括IPMC机器鱼高效率控制策略的研究，同时建立推进效率模型以适应不同雷诺数的环境，以便于在各个的尺度下研究机器鱼的推进特性。
作者：沈奇 韩晨皓 王田苗 梁健宏 单位：北京航空航天大学 机械工程及自动化学院
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