科学家们现在发现通过调整它们尾巴的刚度,这些机器人可以更有效地游泳

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鉴于鱼类天生善于游泳,在设计水下机器人时,人们越来越多地模仿鱼类的身体结构。科学家们现在发现,通过调整它们尾巴的刚度,这些机器人可以更有效地游泳。

在真正的鱼中,尾部肌肉可以变硬以达到最佳的高速冲刺,或者松开以达到更好的低速巡航和机动性。然而,受鱼启发的机器人必须“做出妥协”–它们的尾巴被设定为一种硬度,而这种硬度在所有情况下都不理想。

弗吉尼亚大学的Dan Quinn教授说:“拥有一个尾部硬度就像在自行车上拥有一个齿轮比。你只能在一种速度下有效。这就像用固定齿轮的自行车在旧金山骑行一样;你在几个街区之后就会筋疲力尽。”

不幸的是,要确定鱼类何时以及是否真的改变了它们的尾部硬度是非常困难的。与博士后研究员钟强合作,Quinn转向流体动力学和生物力学,得出一个理论模型。简而言之,该模型指出,尾部刚度应该随着游泳速度的增加而增加。

为了对他们的理论进行实际测试,科学家们建造了一个被称为AutoTuna的机器人金枪鱼。基于尾巴刚度模型,该设备利用一个可编程的肌腱来自动改变其尾巴的刚度,因为它在一个基于实验室的水渠中游泳。值得注意的是,与其他相同的固定尾部刚度的机器人相比,它可以在更大的速度范围内游泳,而使用的能量几乎是一半。

研究人员现在正在研究如何将该技术应用于基于其他类型游泳动物的机器人。

Quinn表示:“像我们这样的刚度调整机制可以非常容易地被小型化,因此它们可以支持各种尺寸和形状的机器人。更难的部分是要弄清楚机器人在各种游泳频率和速度下应该有多大的硬度。我们使用了一个物理模型和水渠测试,为我们的机器人制定了一个控制法则,以便它在自动调整其尾部硬度时使用。如果你把机器人做得更大(例如像海豚一样的机器人)或切换到不同的游泳类型(例如像黄貂鱼一样的机器人),这个模型将需要重新校准,但这是完全可以做到的。”

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