灵感来自魔鬼鱼科学家开发出迄今为止最快游泳机器人

2022-11-21 18:13

近日，受到魔鬼鱼的启发，北卡罗来纳州立大学的研究人员开发了一种节能的软体机器人，它的游泳速度比之前的游泳软体机器人快四倍以上。这些机器人被称为“蝴蝶机器人”，因为它们的游泳动作类似于人在进行蝶泳时手臂的运动方式。

这项工作的论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学机械和航空航天工程系副教授 Jie Yin 说：“迄今为止，游泳软体机器人的游泳速度还没有超过每秒一个身体长度的，但是海洋动物，比如魔鬼鱼就能，甚至游得更快，而且效率更高。我们想借鉴这些动物的生物力学，看看我们是否能开发出更快、更节能的软体机器人。我们开发的原型表现得特别好。”

研究人员开发了两种类型的蝴蝶机器人。一种是专门为速度而建造的，能够达到每秒 3.74 个身体长度的平均速度。第二种被设计成高度机动性，能够向右或向左急转，这个原型能达到每秒 1.7 个身体长度的速度。

该论文的第一作者、北卡罗来纳州立大学的新近博士毕业生 Yinding Chi 说：“研究空气动力学和生物力学的研究人员使用一种叫做 Strouhal 数的东西来评估飞行和游泳动物的能量效率。当动物游泳或飞行时，Strouhal 数在 0.2 和 0.4 之间，推进效率达到峰值。我们的两个蝴蝶机器人的 Strouhal 数都在这个范围内。”

蝴蝶机器人的游泳动力来自它们的翅膀，它们的翅膀是“双稳态的”，这意味着翅膀有两种稳定状态。翅膀类似于一个扣式发夹，发夹初始状态是稳定的，除非施加一定量的能量（通过弯曲它）。当能量达到临界点时，发夹就会扣成一个不同的形状，这个状态也是稳定的。

在蝴蝶机器人中，受发夹启发的双稳态翅膀被连接到一个柔软的硅胶体上。通过将空气注入软体内部的腔室来控制翅膀在两种稳定状态之间的切换。当这些腔室充气和放气时，机身就会上下弯曲，迫使机翼随之来回摆动。

蝴蝶机器人只有一个“驱动单元”软体来控制它的两个翅膀，这使得它速度非常快，但很难向左或向右转弯。可操控的蝴蝶机器人有两个驱动单元，它们并排连接。这种设计允许用户操纵两边的翅膀，或者只“扇动”一个翅膀，这就是使它能够进行急转弯的原因。

Jie Yin 说：“这项工作是一个令人兴奋的概念证明，但它有局限性，最明显的局限是，目前的原型机器人被细长的管子拴住了，这是我们用来将空气泵入中央机构的。我们目前正在努力开发一个无拴的、自动的版本。“

相关成果已发表在近期的《科学进展》杂志上。