研究人员制作出史上最快的游泳软体机器人“Butterfly bots”

来源：cnBeta 　2022-11-19 05:39:08

研究人员从蝠鲼的生物力学中获得灵感，开发了一种节能的软体机器人，其游泳速度比以前的游泳软体机器人快4倍以上。在北卡罗来纳州立大学（NC State）开发的这种机器人被称为"蝴蝶机器人"，因为它们的游泳动作类似于人蝶泳时手臂的运动方式。

"迄今为止，游泳软体机器人的游泳速度还不能超过每秒一个身位，但是海洋动物--比如蝠鲼--能够游得更快，而且效率更高，"关于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。"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。我们开发的原型工作得特别好。"

受蝠鲼生物力学的启发，北卡罗来纳州立大学的研究人员已经开发出一种节能的软体机器人，其游泳速度比以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。

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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设计的，能够达到每秒3.74个身位的平均速度。第二种被设计成高度机动性，能够向右或向左急转。这个可操作的原型能够达到每秒1.7个身位的速度。

"研究空气动力学和生物力学的研究人员使用一种叫做斯特劳哈尔数（Strouhal）的概念来评估飞行和游泳动物的能量效率，"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。"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，发夹在两种状态下都可以保持稳定的，在施加一定量的能量（通过弯曲它）之前和之后，当能量达到临界点时，发夹就会稳定地形成两种不同的形状。

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。用户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。

"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向双翼提供动力。我们的方法使用双稳态翼，通过移动中心体被动地驱动。这是一个重要的区别，因为它允许简化设计，从而降低了重量"。研究人员表示。

更快的蝴蝶机器人只有一个"驱动单元"，这使得它虽然游速非常快，但很难向左或向右转弯。可操控的蝴蝶机器人本质上有两个驱动单元，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。

"这项工作是一个令人兴奋的概念证明，但它有局限性，"研究人员称，"最明显的是，目前的原型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、自主的版本。"

这篇题为"高速高效、类似蝶泳的软体游泳器的系留"的论文将于11月18日发表在开放获取的《科学进展》杂志上。

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