弗吉尼亞大學(xué)打造魚(yú)狀機(jī)器人 在水中游動(dòng)時(shí)可調(diào)整尾巴剛度

弗吉尼亞大學(xué)(University of Virginia School)教授 Dan Quinn 和他的研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合生物學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)以及機(jī)器人技術(shù)打造了一個(gè)魚(yú)狀的機(jī)器人。

該機(jī)器人通過(guò)可編程的人造肌腱(tendon)，在水中游動(dòng)時(shí)可以調(diào)整自己的尾巴剛度(tail stiffness)，并且提供更大的游動(dòng)速度調(diào)節(jié)范圍，還能減少能量消耗。

他們講述了水下航行器(underwater vehicle)實(shí)現(xiàn)變速任務(wù)的關(guān)鍵要點(diǎn) ——像游動(dòng)的魚(yú)學(xué)習(xí)。因?yàn)橥ㄟ^(guò)研究他們發(fā)現(xiàn)，魚(yú)在游動(dòng)時(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)尾部剛度來(lái)調(diào)節(jié)速度，不但能實(shí)時(shí)控制速度，而且能節(jié)省力量。

研究人員表示，該項(xiàng)研究將會(huì)給水下航行器的設(shè)計(jì)提供一定新的想法。

目前，水下航行器通常會(huì)設(shè)計(jì)成為以某種固定的速度巡航，而在其他模式下巡航速度和效率通常較為低下。與魚(yú)類(lèi)不但能游得好，還能控制游速的快或慢方式相比，有關(guān)水下航行器的變速技術(shù)還處于初級(jí)研究階段。

該項(xiàng)研究題目為《可調(diào)剛度使魚(yú)狀機(jī)器人能夠快速高效地游動(dòng)(Tunable stiffness enables fast and efficient swimming in fish-like robots)》發(fā)布在《科學(xué)?機(jī)器人》上。

一、材料硬度難以把控?不如學(xué)魚(yú)類(lèi)自行調(diào)節(jié)尾部“硬度”

在設(shè)計(jì)游泳機(jī)器人(swimming robots)時(shí)，研究人員面對(duì)第一個(gè)難題是：推動(dòng)機(jī)器人在水中向前驅(qū)動(dòng)的零部件材料應(yīng)該有什么程度的硬度?因?yàn)橛行┝悴考挠捕仍谀撤N情況下可能運(yùn)行良好，但遇到其他情況時(shí)很有可能會(huì)破碎。

Dan Quinn 談道，“(魚(yú)形機(jī)器人的)尾部剛度就像自行車(chē)上的齒輪一樣，你只能以一種速度提高效率。”他舉了個(gè)例子，這種情況就像在山地里騎著不能變速的自行車(chē)，僅僅一小段路人們就會(huì)感到筋疲力盡。

而魚(yú)類(lèi)不同，它們將會(huì)根據(jù)不同情況來(lái)事實(shí)調(diào)整自己的尾部剛度。

二、建個(gè)模型，來(lái)看看游動(dòng)的魚(yú)尾如何變“硬”

接下來(lái)，研究人員又面對(duì)新的研究困境，目前沒(méi)有已知的方法可以測(cè)量魚(yú)的尾部剛度，人們也不清楚魚(yú)是如何調(diào)整自己的尾部剛度。

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間研究后，Quinn 和 Zhong 結(jié)合流體動(dòng)力學(xué)和生物力學(xué)推導(dǎo)出一個(gè)模型，說(shuō)明魚(yú)類(lèi)是怎樣調(diào)整尾部剛度以及為什么調(diào)整尾部剛度，從而解決了這個(gè)困境。

“為了檢驗(yàn)我們的理論，我們打造了一個(gè)魚(yú)狀機(jī)器人，它通過(guò)可編程的人造肌腱在水中游動(dòng)時(shí)調(diào)整自己的尾巴剛度。(我們)突然間(發(fā)現(xiàn))，我們的機(jī)器人可以在更大的速度范圍內(nèi)變速。”同時(shí)他還表示，通過(guò)這種方式，魚(yú)狀機(jī)器人在相同速度下使用的能量不到過(guò)去的一半。

Quinn 認(rèn)為，“從所有的數(shù)學(xué)計(jì)算中得出一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)果：隨著速度增加，游動(dòng)的魚(yú)尾部硬度也會(huì)隨之增加。”簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，魚(yú)類(lèi)在游動(dòng)的時(shí)候，它們尾部剛度會(huì)增強(qiáng)。

研究人員 Zhong 表示，該項(xiàng)研究是第一個(gè)結(jié)合生物學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)以及機(jī)器人技術(shù)來(lái)全面研究尾部剛度的變化。這有助揭開(kāi)尾部剛度是如何影響水生生物的游動(dòng)速度謎團(tuán)。

Zhong 還談到，“更奇妙的是，我們不僅專(zhuān)注于理論分析，而且還提出了可調(diào)節(jié)剛度策略的實(shí)用方案。我們提出的可調(diào)節(jié)剛度策略已被證明在現(xiàn)實(shí)游動(dòng)任務(wù)中有效，比如，機(jī)器魚(yú)(通過(guò)這種策略)實(shí)現(xiàn)了高速、實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)、以及高效率的游動(dòng)。”

三、不僅是機(jī)器魚(yú)，還有機(jī)器海豚和蝌蚪

該研究團(tuán)隊(duì)正準(zhǔn)備將有關(guān)于可調(diào)節(jié)剛度的研究模型擴(kuò)展到其他類(lèi)型的游泳機(jī)器人上。

他們所打造的第一個(gè)魚(yú)類(lèi)機(jī)器人是模仿金槍魚(yú)所設(shè)計(jì)的，目前，該團(tuán)隊(duì)正在考慮如何將這個(gè)模型應(yīng)用的范圍擴(kuò)大，在海豚或蝌蚪大小的機(jī)器人上同樣適用。此外，他們還在研究通過(guò)機(jī)器人來(lái)模擬黃貂魚(yú)(undulatory)的起伏運(yùn)動(dòng)(stingrays)。

“我認(rèn)為我們的研究項(xiàng)目不會(huì)很快結(jié)束。我們觀察過(guò)的每一種水生動(dòng)物都給了我們新的靈感去建造更好的游泳機(jī)器人”，Quinn 還幽默地說(shuō)道，“而且海里有更多的魚(yú)”。

結(jié)語(yǔ)：生物學(xué)將為機(jī)器人研究帶來(lái)更多可能

弗吉尼亞大學(xué)的研究人員通過(guò)研究魚(yú)的尾部剛度變化，并建立可調(diào)節(jié)剛度研究模型后，得到了一些設(shè)計(jì)水下航行器的靈感。

如今，越來(lái)越多機(jī)器人的研究困境可以在自然界生物上得到解決。機(jī)器人等技術(shù)的發(fā)展也同樣為生物研究帶來(lái)了更多生機(jī)。一方面，科研人員通過(guò)研究自然界的不同生物打造出不同類(lèi)型的機(jī)器人，為人們帶來(lái)更多的便捷生活，另一方面，科研人員通過(guò)建立數(shù)據(jù)模型，更好地了解不同生物的特別之處。

此前，多國(guó)研究人員聯(lián)合發(fā)布了首個(gè)為救援任務(wù)而設(shè)計(jì)的“機(jī)器”蟑螂，可以在任何環(huán)境中都能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航和人類(lèi)存在檢測(cè)。

但目前的仿生機(jī)器人的應(yīng)用多數(shù)處于試驗(yàn)性質(zhì)，真正大規(guī)模量產(chǎn)應(yīng)用，甚至真正在生活中應(yīng)用，還有非常長(zhǎng)的路要走，普及機(jī)器人的任務(wù)任重道遠(yuǎn)。

關(guān)鍵詞： 弗吉尼亞大學(xué) 魚(yú)狀機(jī)器人 尾巴 剛度