科學(xué)家開(kāi)發(fā)出迄今游泳速度最快的軟體機(jī)器人

武群

近日，受到魔鬼魚的啟發(fā)，北卡羅來(lái)納州立大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種節(jié)能的軟體機(jī)器人，它的游泳速度比之前的游泳軟體機(jī)器人快4倍以上。這些機(jī)器人被稱為“蝴蝶機(jī)器人”，因?yàn)樗鼈兊挠斡緞?dòng)作類似于人在進(jìn)行蝶泳時(shí)手臂的運(yùn)動(dòng)方式。

北卡羅來(lái)納州立大學(xué)機(jī)械和航空航天工程系副教授Jie Yin說(shuō)：“迄今為止，游泳軟體機(jī)器人的游泳速度還沒(méi)有超過(guò)每秒一個(gè)身體長(zhǎng)度的，但是海洋動(dòng)物，比如魔鬼魚就能游得更快，而且效率更高。我們想借鑒這些動(dòng)物的生物力學(xué)，看看是否能開(kāi)發(fā)出更快、更節(jié)能的軟體機(jī)器人，我們開(kāi)發(fā)的原型表現(xiàn)得特別好?！?/p>

研究人員開(kāi)發(fā)了2種類型的蝴蝶機(jī)器人。一種是專門為速度而建造的，能夠達(dá)到每秒3.74個(gè)身體長(zhǎng)度的平均速度。第二種被設(shè)計(jì)成高度機(jī)動(dòng)性，能夠向右或向左急轉(zhuǎn)，這個(gè)原型能達(dá)到每秒1.7個(gè)身體長(zhǎng)度的速度。

北卡羅來(lái)納州立大學(xué)的新近博士畢業(yè)生Yinding Chi說(shuō)：“研究空氣動(dòng)力學(xué)和生物力學(xué)的研究人員使用一種叫做Strouhal數(shù)的東西來(lái)評(píng)估飛行和游泳動(dòng)物的能量效率。當(dāng)動(dòng)物游泳或飛行時(shí)，Strouhal數(shù)在0.2和0.4之間，推進(jìn)效率達(dá)到峰值，2個(gè)蝴蝶機(jī)器人的Strouhal數(shù)都在這個(gè)范圍內(nèi)?！?/p>

蝴蝶機(jī)器人的游泳動(dòng)力來(lái)自它們的翅膀，它們的翅膀是“雙穩(wěn)態(tài)的”，這意味著翅膀有2種穩(wěn)定狀態(tài)。翅膀類似于一個(gè)扣式發(fā)夾，發(fā)夾初始狀態(tài)是穩(wěn)定的，除非施加一定量的能量（通過(guò)彎曲它）。當(dāng)能量達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)，發(fā)夾就會(huì)扣成一個(gè)不同的形狀，這個(gè)狀態(tài)也是穩(wěn)定的。

在蝴蝶機(jī)器人中，受發(fā)夾啟發(fā)的雙穩(wěn)態(tài)翅膀被連接到一個(gè)柔軟的硅膠體上。通過(guò)將空氣注入軟體內(nèi)部的腔室來(lái)控制翅膀在兩種穩(wěn)定狀態(tài)之間的切換。當(dāng)這些腔室充氣和放氣時(shí)，機(jī)身就會(huì)上下彎曲，迫使機(jī)翼隨之來(lái)回?cái)[動(dòng)。

蝴蝶機(jī)器人只有一個(gè)“驅(qū)動(dòng)單元”軟體來(lái)控制它的2個(gè)翅膀，這使得它速度非?？欤茈y向左或向右轉(zhuǎn)彎?？刹倏氐暮麢C(jī)器人有2個(gè)驅(qū)動(dòng)單元，它們并排連接，這種設(shè)計(jì)允許用戶操縱，2邊的翅膀，或者只“扇動(dòng)”一個(gè)翅膀，使它能夠進(jìn)行急轉(zhuǎn)彎。

Jie Yin說(shuō)：“這項(xiàng)工作是一個(gè)令人興奮的概念證明，但它有局限性，最明顯的局限是，目前的原型機(jī)器人被細(xì)長(zhǎng)的管子拴住了，這是我們用來(lái)將空氣泵入中央機(jī)構(gòu)的。我們目前正在努力開(kāi)發(fā)一個(gè)無(wú)拴、自動(dòng)的版本?！睋?jù)了解，相關(guān)成果已發(fā)表在近期的《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。