迄今為止最快的游泳機(jī)器人！可像人類(lèi)一樣蝶泳，登上《Science Advances》期刊

大數(shù)據(jù)文摘轉(zhuǎn)載自機(jī)器人大講堂

在水里浮浮沉沉游來(lái)游去的，除了鮮活的海產(chǎn)品，還有可能是個(gè)機(jī)器人。

雖說(shuō)是機(jī)器人，但人家確實(shí)是受到海洋生物的游泳姿態(tài)“點(diǎn)化”而來(lái)的。

前不久，來(lái)自北卡羅來(lái)納州立大學(xué)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)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。

這款機(jī)器人被稱(chēng)為“蝴蝶機(jī)器人”，之所以叫這個(gè)名字，是因?yàn)樗鼈兊挠斡緞?dòng)作像極了人在進(jìn)行蝶泳時(shí)手臂的運(yùn)動(dòng)方式。

該項(xiàng)研究以論文“Snapping for high-speed and high-efficient, butterfly swimming-like soft flapping-wing robot”為題于近日發(fā)表于《Science Advances》期刊上。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了兩種不同類(lèi)型的蝴蝶機(jī)器人。一個(gè)專(zhuān)為速度而打造，能夠達(dá)到每秒 3.74 個(gè)身體長(zhǎng)度的平均速度。另一個(gè)被設(shè)計(jì)成高度機(jī)動(dòng)的，能夠向右或向左急轉(zhuǎn)彎。這種機(jī)動(dòng)原型能夠達(dá)到每秒 1.7 個(gè)身體長(zhǎng)度的速度。

蝴蝶機(jī)器人的游泳能力來(lái)自它們的翅膀，它們是“雙穩(wěn)態(tài)”的，這意味著翅膀有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。

它們的機(jī)翼類(lèi)似于按扣發(fā)夾。在施加一定的能量（通過(guò)彎曲它）之前，發(fā)夾是穩(wěn)定的。當(dāng)能量達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)，發(fā)夾會(huì)折斷成不同的形狀，但也是穩(wěn)定的。

研究人員們發(fā)現(xiàn)翅膀扇動(dòng)的軌跡類(lèi)似于數(shù)字8，這與蜂鳥(niǎo)和黃蜂翅膀的軌跡非常類(lèi)似。

為了實(shí)現(xiàn)這種復(fù)雜軌跡，往往需要很多復(fù)雜的連接結(jié)構(gòu)來(lái)組成傳動(dòng)系統(tǒng)。然而軟體機(jī)器人卻可以通過(guò)很簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)達(dá)到這種效果。

蝶泳機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

這個(gè)機(jī)器人通過(guò)驅(qū)動(dòng)來(lái)上下彎曲身體，從而帶動(dòng)兩翼的突跳（snapping）快速上下擺動(dòng)與旋轉(zhuǎn)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器的充放氣使得翅膀在往上和往下彎曲的狀態(tài)來(lái)回切換。

整個(gè)切換的過(guò)程通過(guò)突跳實(shí)現(xiàn)，突跳可以把積累的能量迅速釋放，使得軟體機(jī)器人瞬間加大游速。

與此同時(shí)，輸入整個(gè)系統(tǒng)的能量反而降低，因此使得軟體機(jī)器人同時(shí)具備快速和高效兩種優(yōu)勢(shì)。

如圖，每一次翅膀的拍打，都會(huì)使得能量迅速釋放，從而使得軟體機(jī)器人獲得巨大的推力。

隨著游動(dòng)，軟體機(jī)器人的整個(gè)身體還會(huì)呈現(xiàn)波狀起伏，像極了人類(lèi)在蝶泳時(shí)由頭部到軀干的波狀起伏。不同的是，這種軟體機(jī)器人不論是向下扇動(dòng)還是向上扇動(dòng)翅膀，都能獲得巨大的推力。

蝶泳軟機(jī)器人性能與姿態(tài)

在接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步比較了高速雙穩(wěn)態(tài)軟撲翼游泳者、快速游泳軟體機(jī)器人和海洋中的生物。

如圖中所示，這種軟體機(jī)器人比其他軟體機(jī)器人具有更高的游速卻有更小的質(zhì)量，甚至和其他的海洋生物相比也是毫不遜色。

不過(guò)，盡管展示的高性能軟撲翼游泳者在高速和高效率方面可與生物對(duì)手相媲美，但它只能實(shí)現(xiàn)單向向前游泳。

為了解決這一局限性，研發(fā)團(tuán)隊(duì)們進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了更快的蝴蝶機(jī)器人——一種能夠定向轉(zhuǎn)向的機(jī)動(dòng)撲翼游泳機(jī)器人。

如圖所示。可操縱的游泳者由一個(gè)多穩(wěn)態(tài)軟撲動(dòng)執(zhí)行器構(gòu)成，兩個(gè)軟氣動(dòng)彎曲執(zhí)行器在中間并聯(lián)連接作為軟體，帶有包裹薄膜和延伸柔性鰭的兩個(gè)雙穩(wěn)態(tài)機(jī)翼既可以在單一驅(qū)動(dòng)下獨(dú)立拍動(dòng)以進(jìn)行轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，也可以在雙重驅(qū)動(dòng)下同時(shí)拍動(dòng)以進(jìn)行前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，從而提高機(jī)動(dòng)性。