能自动变形的机器鱼群：协作完成多种游动和复杂水下任务

传统水生机器人通常具有固定的形态和单一的运动模式，难以适应非结构化环境。受自然界中生物群体（如鱼群、蚁群）的协作行为以及鱼类多样的鳍驱动运动策略（如体尾鳍推进和中侧鳍推进）启发，研究人员开发了一种自重构机器鱼群系统。

### 机器鱼单元设计
每个机器鱼单元拥有3个自由度：尾部鳍摆动关节（提供推进力）和两个侧向旋转关节（调整单元朝向）。单元配备电永磁体作为连接装置，可通过20毫秒电流脉冲快速切换磁性状态，实现横向和纵向的自主对接与分离，同时电永磁体还能用于单元间通信，通过电磁感应传输信号，速率达5.56 kbps。

### 自主组装与重构
鱼群采用动态协作组装策略，分三个阶段： formation convergence（调整姿态形成对接所需队形）、 mutual approach（缩小单元间距至近距离队形）、drift-based docking（停止尾鳍摆动，依靠剩余速度漂移对接）。针对不同空间约束，采用线性队形（开阔水域）或“圆形-线性”两阶段队形（狭窄空间），提高对接成功率。通过对接调整和侧向旋转关节，鱼群还能实现自重构，改变整体形态以适应任务需求。

### 群体运动性能提升
与单个机器鱼相比，鱼群在多项运动性能上有显著提升：
- **稳定性**：侧向或混合构型通过调整单元间相位差，头部摆动角度可降至1°以下（单个单元为5.62°），提升约8.3倍。
- **机动性**：通过侧向旋转关节调整鳍朝向，最小转弯半径远小于单个单元，能通过300毫米窄通道（仅留18.6毫米间隙）。
- **速度**：侧向三单元构型（Lat3）最大速度达134.56毫米/秒，比单个单元提升18.9%。
- **能效**：所有群体构型均降低能耗，最优构型的运输成本（COT）较单个单元减少73.4%。
- **多模态运动**：在浅水区（10厘米水深）可通过侧向旋转关节实现爬行，完成直线或转向移动，并能在岸边泥地与深水区间无缝切换运动模式。

### 协作任务能力
鱼群能完成复杂协作任务：
- **连续运输**：在含窄通道和凹槽的环境中，通过调整构型分别运输大小物体（小物体磁吸、大物体抓取）。
- **复杂地形导航**：在有闸门、浅水区的环境中，先磁吸门把手顺时针开门，再爬行通过浅水区，最后拆分单元通过窄缝运输物体。
- **户外验证**：在自然湖泊中成功穿越水生植被窄道、岸边泥地爬行及物体运输，验证了实际环境中的鲁棒性。

### 研究意义
该系统突破了传统水生机器人功能单一的局限，通过模块化设计和自主重构，实现了多模态运动与复杂任务协作，为开发适应非结构化环境的多功能机器人系统提供了新思路。