來源：清華工程研究院

近日，我院副教授曲鈞天團隊在海洋仿生軟體機器人領域取得系列研究進展，通過模仿海龜、蠕蟲等生物的高效運動模式，分別研發(fā)出面向復雜兩棲環(huán)境的智能仿生兩棲海龜機器人、面向水下復雜管道內(nèi)部探測的仿蠕蟲柔性管道機器人，為海-陸兩棲跨介質探測與水下管道內(nèi)部巡檢等復雜任務提供了高效、靈活的技術方案。

跨介質仿生龜機器人

在陸地與水域交界的復雜區(qū)域，傳統(tǒng)海洋機器人面臨著嚴峻挑戰(zhàn)：這些過渡區(qū)域通常由松軟的沉積物、不規(guī)則的石塊和不斷變化的地形組成，使得依靠高速螺旋推進的傳統(tǒng)系統(tǒng)容易出現(xiàn)效率下降、機動性受限甚至任務失敗的情況。

面對以上挑戰(zhàn)，曲鈞天團隊從海龜?shù)倪\動中汲取靈感，研制出一款智能仿生兩棲海龜機器人，該機器人采用三自由度仿生鰭肢與輕量化設計，并通過貝葉斯優(yōu)化實現(xiàn)低功耗高效運動。其核心創(chuàng)新在于融合視覺與觸覺信息，利用雙流卷積神經(jīng)網(wǎng)絡進行地形實時分類，準確率高達99.17%，并據(jù)此實現(xiàn)動態(tài)步態(tài)自適應。該策略使機器人能效提升19.1%，運動速度提高9.2%，在復雜環(huán)境中表現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性。

圖1.智能仿生兩棲海龜機器人：硬件配置與核心組件

圖2.地形識別框架

圖3.戶外測試

圖4. 項目成果榮獲第77屆紐倫堡國際發(fā)明展銀獎

演示視頻：

相關成果以“一種具備視覺-觸覺融合能力的智能仿生兩棲海龜機器人及其動態(tài)地形自適應方法”（An Intelligent Bionic Amphibious Turtle Robot with Visual-Tactile Fusion for Dynamic Terrain Adaptation）為題，發(fā)表于《IEEE機器人學匯刊》（IEEE Transactions on Robotics）。論文第一作者為清華大學深圳國際研究生院2024級碩士生劉昂，共同通訊作者為曲鈞天和復旦大學研究員張壯。該成果還榮獲第77屆德國紐倫堡國際發(fā)明展銀獎。

仿蠕蟲柔性管道機器人

管道作為能源運輸與城市運維的核心基礎設施，其隱蔽性、復雜性給檢測維護帶來巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)剛性管道機器人結構復雜、控制難度大，在小管徑、破損管道或動態(tài)水流等復雜工況下適應性受限；現(xiàn)有軟體機器人雖具備靈活性優(yōu)勢，但普遍存在流阻大、負載能力弱、難以應對真實管道故障等問題。

圖5.封面文章

面對以上挑戰(zhàn)，曲鈞天團隊研制出一款磁吸式模塊化仿蠕蟲柔性管道機器人，該機器人創(chuàng)新性地采用星形三向錨定足與纖維增強波紋管主干設計，兼具純?nèi)嵝耘c高負載能力，重僅120克，卻能在垂直管道中推動750克、拉動309.5克負載，并適應39-60毫米的變管徑及0-90度管道傾角。其模塊化磁吸設計支持快速構型重組，使三節(jié)構型可跨越25毫米缺口，五節(jié)串聯(lián)構型更能跨越80毫米寬斷裂缺口，搭載攝像頭后，機器人可在復雜管道內(nèi)部完成巡檢任務。

圖6.軟體管道機器人結構設計

圖7.應用場景演示

視頻演示

相關成果以“面向管道多場景探測的柔性模塊化仿蠕蟲機器人”（A Flexible Modular Worm-inspired Robot for Multi-scenario Explorations in Pipeline）為題，作為封面文章（2026年第1期）發(fā)表于Cell Press旗下期刊《細胞報告物質科學》（Cell Reports Physical Science）。

論文第一作者為清華大學深圳國際研究生院2023級博士生徐依寧，曲鈞天為獨立通訊作者，論文共同作者還包括清華大學水利系教授徐夢珍。

論文鏈接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/11219361

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2025.103038

文、圖：曲鈞天團隊

編輯：岳婉琪

審核：王希林