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171受到魔鬼魚的啟發(fā)，北卡羅來納州立大學的研究人員開發(fā)了一種節(jié)能的軟體機器人，它的游泳速度比之前的游泳軟體機器人快四倍以上。這些機器人被稱為“蝴蝶機器人”，因為它們的游泳動作類似于人在進行蝶泳時手臂的運動方式。
這項工作的論文的通訊作者、北卡羅來納州立大學機械和航空航天工程系副教授 Jie Yin 說：“迄今為止，游泳軟體機器人的游泳速度還沒有超過每秒一個身體長度的，但是海洋動物，比如魔鬼魚就能，甚至游得更快，而且效率更高。我們想借鑒這些動物的生物力學，看看我們是否能開發(fā)出更快、更節(jié)能的軟體機器人。我們開發(fā)的原型表現(xiàn)得特別好?！?/span>
研究人員開發(fā)了兩種類型的蝴蝶機器人。一種是專門為速度而建造的，能夠達到每秒 3.74 個身體長度的平均速度。第二種被設(shè)計成高度機動性，能夠向右或向左急轉(zhuǎn)，這個原型能達到每秒 1.7 個身體長度的速度。
該論文的第一作者、北卡羅來納州立大學的新近博士畢業(yè)生 Yinding Chi 說：“研究空氣動力學和生物力學的研究人員使用一種叫做 Strouhal 數(shù)的東西來評估飛行和游泳動物的能量效率。當動物游泳或飛行時，Strouhal 數(shù)在 0.2 和 0.4 之間，推進效率達到峰值。我們的兩個蝴蝶機器人的 Strouhal 數(shù)都在這個范圍內(nèi)。”
蝴蝶機器人的游泳動力來自它們的翅膀，它們的翅膀是“雙穩(wěn)態(tài)的”，這意味著翅膀有兩種穩(wěn)定狀態(tài)。翅膀類似于一個扣式發(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（通過彎曲它）。當能量達到臨界點時，發(fā)夾就會扣成一個不同的形狀，這個狀態(tài)也是穩(wěn)定的。
在蝴蝶機器人中，受發(fā)夾啟發(fā)的雙穩(wěn)態(tài)翅膀被連接到一個柔軟的硅膠體上。通過將空氣注入軟體內(nèi)部的腔室來控制翅膀在兩種穩(wěn)定狀態(tài)之間的切換。當這些腔室充氣和放氣時，機身就會上下彎曲，迫使機翼隨之來回擺動。
蝴蝶機器人只有一個“驅(qū)動單元”軟體來控制它的兩個翅膀，這使得它速度非?？?，但很難向左或向右轉(zhuǎn)彎?？刹倏氐暮麢C器人有兩個驅(qū)動單元，它們并排連接。這種設(shè)計允許用戶操縱兩邊的翅膀，或者只“扇動”一個翅膀，這就是使它能夠進行急轉(zhuǎn)彎的原因。
Jie Yin 說：“這項工作是一個令人興奮的概念證明，但它有局限性，最明顯的局限是，目前的原型機器人被細長的管子拴住了，這是我們用來將空氣泵入中央機構(gòu)的。我們目前正在努力開發(fā)一個無拴的、自動的版本?！?/span>
據(jù)了解，相關(guān)成果已發(fā)表在近期的《科學進展》雜志上。
