加速“游泳”，最新研究成果蝴蝶机器人速度提升4倍

2022-12-19 11:49

近期，北卡罗来纳州立大学的研发团队开发了一种节能的软体机器人，名为“蝴蝶机器人”，顾名思义，这一机器人的游泳动作很像蝶泳，而且速度极快，据悉，它的游泳速度比之前出现的游泳软体机器人快四倍以上。该项研究以论文“Snapping for high-speed and high-efficient, butterfly swimming-like soft flapping-wing robot”为题于近日发表于《Science Advances》期刊上。

研发团队开发了两种不同类型的蝴蝶机器人。一个专为速度而打造，能够达到每秒 3.74 个身体长度的平均速度。另一个被设计成高度机动的，能够向右或向左急转弯。速度可以达到每秒 1.7 个身体长度的速度。

在动物界，蝴蝶飞行的动力来自其“翅膀”，它们是“双稳态”的，这意味着翅膀有两个稳定状态。翅膀扇动的轨迹类似于数字8，这与蜂鸟和黄蜂翅膀的轨迹非常类似。

机器人想要为现这种复杂轨迹，往往需要很多复杂的连接结构来组成传动系统。机器人通过驱动来上下弯曲身体，从而带动两翼的突跳（snapping）快速上下摆动与旋转，通过驱动器的充放气使得翅膀在往上和往下弯曲的状态来回切换。

整个切换的过程通过突跳实现，突跳可以把积累的能量迅速释放，使得软体机器人瞬间加大游速。与此同时，输入整个系统的能量反而降低，因此使得软体机器人同时具备快速和高效两种优势。随着游动，软体机器人的整个身体还会呈现波状起伏，像极了人类在蝶泳时由头部到躯干的波状起伏。不同的是，这种软体机器人不论是向下扇动还是向上扇动翅膀，都能获得巨大的推力。

这种软体机器人拥有独特运动优势的同时也存在不足，但是它只能实现单向向前游泳。为了解决这一局限性，研发团队们进一步开发了更快的蝴蝶机器人——一种能够定向转向的机动扑翼游泳机器人。

该机器人由一个多稳态软扑动执行器构成，两个软气动弯曲执行器在中间并联连接作为软体，带有包裹薄膜和延伸柔性鳍的两个双稳态机翼既可以在单一驱动下独立拍动以进行转弯运动，也可以在双重驱动下同时拍动以进行前进运动，从而提高机动性。

“以前开发扑翼机器人的大多数尝试都集中在使用电机直接为机翼提供动力，”团队的研究人员表示。“我们的方法使用通过移动中央主体被动驱动的双稳态机翼。这是一个重要的区别，因为它允许简化设计，从而减轻重量。”