弗吉尼亞大學(xué)打造魚狀機器人 在水中游動時可調(diào)整尾巴剛度

弗吉尼亞大學(xué)(University of Virginia School)教授 Dan Quinn 和他的研究團隊結(jié)合生物學(xué)、流體動力學(xué)以及機器人技術(shù)打造了一個魚狀的機器人。

該機器人通過可編程的人造肌腱(tendon)，在水中游動時可以調(diào)整自己的尾巴剛度(tail stiffness)，并且提供更大的游動速度調(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)實現(xiàn)變速任務(wù)的關(guān)鍵要點 ——像游動的魚學(xué)習(xí)。因為通過研究他們發(fā)現(xiàn)，魚在游動時可以通過調(diào)節(jié)尾部剛度來調(diào)節(jié)速度，不但能實時控制速度，而且能節(jié)省力量。

研究人員表示，該項研究將會給水下航行器的設(shè)計提供一定新的想法。

目前，水下航行器通常會設(shè)計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。與魚類不但能游得好，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)還處于初級研究階段。

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

一、材料硬度難以把控?不如學(xué)魚類自行調(diào)節(jié)尾部“硬度”

在設(shè)計游泳機器人(swimming robots)時，研究人員面對第一個難題是：推動機器人在水中向前驅(qū)動的零部件材料應(yīng)該有什么程度的硬度?因為有些零部件的硬度在某種情況下可能運行良好，但遇到其他情況時很有可能會破碎。

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

而魚類不同，它們將會根據(jù)不同情況來事實調(diào)整自己的尾部剛度。

二、建個模型，來看看游動的魚尾如何變“硬”

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

經(jīng)過一段時間研究后，Quinn 和 Zhong 結(jié)合流體動力學(xué)和生物力學(xué)推導(dǎo)出一個模型，說明魚類是怎樣調(diào)整尾部剛度以及為什么調(diào)整尾部剛度，從而解決了這個困境。

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

Quinn 認(rèn)為，“從所有的數(shù)學(xué)計算中得出一個簡單的結(jié)果：隨著速度增加，游動的魚尾部硬度也會隨之增加。”簡單來說，魚類在游動的時候，它們尾部剛度會增強。

研究人員 Zhong 表示，該項研究是第一個結(jié)合生物學(xué)、流體動力學(xué)以及機器人技術(shù)來全面研究尾部剛度的變化。這有助揭開尾部剛度是如何影響水生生物的游動速度謎團。

Zhong 還談到，“更奇妙的是，我們不僅專注于理論分析，而且還提出了可調(diào)節(jié)剛度策略的實用方案。我們提出的可調(diào)節(jié)剛度策略已被證明在現(xiàn)實游動任務(wù)中有效，比如，機器魚(通過這種策略)實現(xiàn)了高速、實時調(diào)節(jié)、以及高效率的游動。”

三、不僅是機器魚，還有機器海豚和蝌蚪

該研究團隊正準(zhǔn)備將有關(guān)于可調(diào)節(jié)剛度的研究模型擴展到其他類型的游泳機器人上。

他們所打造的第一個魚類機器人是模仿金槍魚所設(shè)計的，目前，該團隊正在考慮如何將這個模型應(yīng)用的范圍擴大，在海豚或蝌蚪大小的機器人上同樣適用。此外，他們還在研究通過機器人來模擬黃貂魚(undulatory)的起伏運動(stingrays)。

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

結(jié)語：生物學(xué)將為機器人研究帶來更多可能

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

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

此前，多國研究人員聯(lián)合發(fā)布了首個為救援任務(wù)而設(shè)計的“機器”蟑螂，可以在任何環(huán)境中都能夠?qū)崿F(xiàn)自動導(dǎo)航和人類存在檢測。

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

關(guān)鍵詞： 弗吉尼亞大學(xué) 魚狀機器人 尾巴 剛度