随着水下机器人技术的飞速发展，仿生机器鱼作为一种新型的水下探索平台，展现出巨大的应用潜力。传统的螺旋桨推进系统在复杂水域环境中存在适应性差、尾流扰动大等问题，极大地限制了其在地形复杂海域的作业能力。仿生机器鱼通过模仿生物的游动机制，尤其是金枪鱼等鱼类的游动特性，具备更高的推进效率和机动性，为突破传统推进系统瓶颈提供了新的途径。然而，当前的仿生机器鱼研究仍面临诸多挑战，尤其是在复现生物形态与运动特性方面。尽管根据生物特征优化能够提升性能，但通常会导致驱动系统复杂度的急剧上升，进而增加设计与实现难度。这一矛盾促使仿生设计研究转向折衷策略，即在保留关键生物特征的基础上进行工程优化，以平衡生物仿生与工程实现的适配性，从而获得更优的性能与可实施性。

本文的具体研究目标包括：1)在仿生机器鱼的形态设计方面，结合其工程特性，突破生物形态复杂性与工程实现之间的适配难点；2)在驱动机构方面，建立机器鱼身体-尾鳍协同调控模型，提升推进性能；3)在行为规划方面，明确间歇游动行为的调控机制，在降低能量消耗的同时，实现游动速度的可调。为达成研究目标，本文采用基于锐利界面浸没边界法的数值仿真与机器鱼实验平台相结合的研究方法，系统探索机器鱼的设计与运动调控策略。

本研究围绕机器鱼的“形态设计-驱动协同-行为调控”研究思路展开，具体研究内容如下：

首先，发展了一种体-鳍耦合的大变形数值仿真平台。该数值仿真平台针对仿生推进中的流固耦合问题，采用锐利界面浸没边界法，结合参数化建模方法，精准模拟机器鱼游动过程中鱼体和尾鳍的复杂变形。这一方法克服了传统数值模拟在处理大变形问题时的瓶颈，使得鱼体与尾鳍的姿态变化得以精确控制，为后续机理分析奠定了基础。

其次，明确了机器鱼体后形态对推进性能的影响机制。提出“前体仿生—后体调控”的机器鱼形态设计策略，并通过对金枪鱼型模型进行参数化重构，利用体-鳍耦合的大变形数值仿真平台，计算不同体后形态参数下的水动力学特性，揭示体后高度和宽度变化对游动性能的影响规律。研究结果表明，适度增加体后高度可增强尾鳍推力，但同时伴随功率消耗的上升；而增大体后宽度则有助于降低流体阻力。这些结果为仿生机器鱼的外形设计提供了新的思路。

第三，建立了机器鱼身体-尾鳍的协同调控机制。结合数值仿真与实验，分析沿身体波动延伸的柔性(Mode I)弯曲与刚性(Mode II)摆动尾鳍在不同鱼体波长下的推进效率、推力与功率特性，揭示了运动参数与游动性能的标度关系。结果表明，柔性尾鳍在中等波长下可提升推力与效率，适于稳定巡航；而刚性尾鳍在较小波长下可输出更大推力，适于高速推进。据此，提出兼具仿生机制与工程可实现性的协同调控策略：通过拉线驱动实现仿生波动运动，配合不同刚度的弹簧钢片调节运动波长；尾鳍采用TPU材料实现沿身体波动的弯曲(Mode I)，或PBT材料保持刚性形态(Mode II)，实现基于材料响应的弯曲模式调控。该方案兼顾运动仿生性与结构调控性，为高效仿生驱动机构设计提供了理论基础与实现路径。

最后，提出了机器鱼间歇游动行为的调控策略。本文探讨了快速摆动-滑翔交替模式与爆发-滑行模式两种间歇游动策略，并分析了两种模式及其组合方式对机器鱼能耗和游动速度的调控。研究表明，快速摆动-滑翔模式能够在短时间内提供较强的推力，并在保持周期持续时间基本不变的情况下，通过调整摆动与滑翔的时间比例来维持目标速度；而爆发-滑行模式更适用于节能巡航，并且在爆发阶段采用快速摆动-滑翔模式，相较于采用连续游动模式，该模式展现出更强的加速能力，在滑行阶段同样有效降低能耗。通过数值仿真与实验验证，探讨了间歇游动模式对机器鱼游动速度和能耗平衡的影响机制，为优化机器鱼的运动模式和提升能效提供了依据。

本文在保留关键生物特征的基础上，结合工程适配需求，构建了“形态设计—驱动协同—行为调控”的仿生框架。通过高保真数值仿真与实验验证相结合的方法，系统分析了机器鱼的游动机理及调控策略，为新一代仿生潜航器的研发提供了重要理论支撑和技术参考。