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223受到魔鬼魚的啟發(fā)，北卡羅來納州立大學(xué)的研究人員開發(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)器人快四倍以上。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。
這項(xiàng)工作的論文的通訊作者、北卡羅來納州立大學(xué)機(jī)械和航空航天工程系副教授 Jie Yin 說：“迄今為止，游泳軟體機(jī)器人的游泳速度還沒有超過每秒一個(gè)身體長(zhǎng)度的，但是海洋動(dòng)物，比如魔鬼魚就能，甚至游得更快，而且效率更高。我們想借鑒這些動(dòng)物的生物力學(xué)，看看我們是否能開發(fā)出更快、更節(jié)能的軟體機(jī)器人。我們開發(fā)的原型表現(xiàn)得特別好。”
研究人員開發(fā)了兩種類型的蝴蝶機(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。
該論文的第一作者、北卡羅來納州立大學(xué)的新近博士畢業(yè)生 Yinding Chi 說：“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。我們的兩個(gè)蝴蝶機(jī)器人的 Strouhal 數(shù)都在這個(gè)范圍內(nèi)?！?/span>
蝴蝶機(jī)器人的游泳動(dòng)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(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(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)翼隨之來回?cái)[動(dòng)。
蝴蝶機(jī)器人只有一個(gè)“驅(qū)動(dòng)單元”軟體來控制它的兩個(gè)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(jī)器人有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元，它們并排連接。這種設(shè)計(jì)允許用戶操縱兩邊的翅膀，或者只“扇動(dòng)”一個(gè)翅膀，這就是使它能夠進(jìn)行急轉(zhuǎn)彎的原因。
Jie Yin 說：“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，這是我們用來將空氣泵入中央機(jī)構(gòu)的。我們目前正在努力開發(fā)一個(gè)無拴的、自動(dòng)的版本?！?/span>
據(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。
