科學家開發出迄今游泳速度最快的軟體機器人

武群

近日，受到魔鬼魚的啟發，北卡羅來納州立大學的研究人員開發了一種節能的軟體機器人，它的游泳速度比之前的游泳軟體機器人快4倍以上。這些機器人被稱為“蝴蝶機器人”，因為它們的游泳動作類似于人在進行蝶泳時手臂的運動方式。

北卡羅來納州立大學機械和航空航天工程系副教授Jie Yin說：“迄今為止，游泳軟體機器人的游泳速度還沒有超過每秒一個身體長度的，但是海洋動物，比如魔鬼魚就能游得更快，而且效率更高。我們想借鑒這些動物的生物力學，看看是否能開發出更快、更節能的軟體機器人，我們開發的原型表現得特別好。”

研究人員開發了2種類型的蝴蝶機器人。一種是專門為速度而建造的，能夠達到每秒3.74個身體長度的平均速度。第二種被設計成高度機動性，能夠向右或向左急轉，這個原型能達到每秒1.7個身體長度的速度。

北卡羅來納州立大學的新近博士畢業生Yinding Chi說：“研究空氣動力學和生物力學的研究人員使用一種叫做Strouhal數的東西來評估飛行和游泳動物的能量效率。當動物游泳或飛行時，Strouhal數在0.2和0.4之間，推進效率達到峰值，2個蝴蝶機器人的Strouhal數都在這個范圍內。”

蝴蝶機器人的游泳動力來自它們的翅膀，它們的翅膀是“雙穩態的”，這意味著翅膀有2種穩定狀態。翅膀類似于一個扣式發夾，發夾初始狀態是穩定的，除非施加一定量的能量（通過彎曲它）。當能量達到臨界點時，發夾就會扣成一個不同的形狀，這個狀態也是穩定的。

在蝴蝶機器人中，受發夾啟發的雙穩態翅膀被連接到一個柔軟的硅膠體上。通過將空氣注入軟體內部的腔室來控制翅膀在兩種穩定狀態之間的切換。當這些腔室充氣和放氣時，機身就會上下彎曲，迫使機翼隨之來回擺動。

蝴蝶機器人只有一個“驅動單元”軟體來控制它的2個翅膀，這使得它速度非常快，但很難向左或向右轉彎。可操控的蝴蝶機器人有2個驅動單元，它們并排連接，這種設計允許用戶操縱，2邊的翅膀，或者只“扇動”一個翅膀，使它能夠進行急轉彎。

Jie Yin說：“這項工作是一個令人興奮的概念證明，但它有局限性，最明顯的局限是，目前的原型機器人被細長的管子拴住了，這是我們用來將空氣泵入中央機構的。我們目前正在努力開發一個無拴、自動的版本。”據了解，相關成果已發表在近期的《科學進展》雜志上。