魔鬼魚利用翼狀胸鰭進(jìn)行獨特的振蕩游泳，為設(shè)計潛在的快速、高效且機(jī)動性強(qiáng)的軟體游泳機(jī)器人提供了寶貴的靈感。然而，至今這種能力尚未在軟體游泳器中完全實現(xiàn)。在一個單一的軟體游泳器中同時具備高速、高效率和高機(jī)動性，同時保持簡單的驅(qū)動和控制，依然是一個巨大的挑戰(zhàn)。
近日，北卡州立大學(xué)（NCSU）尹杰教授團(tuán)隊聯(lián)合弗吉尼亞大學(xué)（UVA）董海波教授、Daniel Quinn教授團(tuán)隊，巧妙利用單穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計了一款利用自發(fā)快速彈跳實現(xiàn)快速且靈活游動的仿魔鬼魚的機(jī)器魚，創(chuàng)造了目前為止最快的游動速度（6.8身長每秒，相當(dāng)于156.4 mm/s），同時具備高機(jī)動性，可實現(xiàn)貼近水面和水下游動。
該工作以”Spontaneous snapping-induced jet flows for fast, maneuverable surface and underwater soft flapping swimmer”為題近日發(fā)表于”Science Advances” 雜志上，并且文章同時被Science雜志和Science Advances首頁亮點報道。團(tuán)隊博士生清海濤領(lǐng)銜第一作者，其他共同作者包括博士生郭佳誠（UVA），朱遠(yuǎn)航博士（UVA，現(xiàn)任加州大學(xué)河濱分校助理教授），赤銀鼎博士（NCSU），洪堯燁博士（NCSU），董海波教授和Daniel Quinn教授，論文唯一通訊作者為尹杰教授。
研究人員最初的目標(biāo)是設(shè)計一種同時具備高速、高能效和高機(jī)動性的軟體水下機(jī)器人。正如常見的研究路徑，他們從大自然中尋找靈感。盡管人們可能會首先想到以旗魚或其他以速度聞名的魚類為模型，但研究人員卻被魔鬼魚及其獨特的“翼狀胸鰭”深深吸引。這款軟體機(jī)器魚擁有與魔鬼魚類似形狀的鰭，鰭的材料在展開時保持穩(wěn)定。鰭連接在一個柔性的硅膠主體上，主體內(nèi)含一個可充氣的腔體。通過向腔體充氣，可以迫使鰭向下彎曲——類似于魔鬼魚拍動鰭的下拍動作。當(dāng)腔體中的空氣排出時，鰭會由于內(nèi)在彈性恢復(fù)力的驅(qū)使，自發(fā)地快速回彈到初始位置，不需要額外的能量輸入（圖1）。相比于團(tuán)隊之前研發(fā)的雙穩(wěn)態(tài)蝶泳軟體機(jī)器人，這款機(jī)器魚不僅簡化了驅(qū)動過程，而且節(jié)省輸入能量的同時實現(xiàn)了比之前更快的速度和更好的機(jī)動性。同時，該機(jī)器魚的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能表現(xiàn)得到了幾位審稿人的一致好評。圖1E展示了通過簡單調(diào)節(jié)單輸入驅(qū)動頻率 f實現(xiàn)單穩(wěn)態(tài)軟體游泳機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化水下環(huán)境（如簡單的垂直障礙物通道）中的導(dǎo)航能力。障礙通道由兩個上部和一個下部平板障礙物組成。降低驅(qū)動頻率 f使機(jī)器人下潛，而增加 f 則使其以可調(diào)攻角上升，表現(xiàn)出“W”形游泳軌跡，從而成功通過障礙物通道。
圖1 仿魔鬼魚的機(jī)器魚的設(shè)計
圖3 具有高碰撞恢復(fù)力的簡單水下垂直障礙巡航
具備多模式的水面和水下游泳能力，并能在不同深度進(jìn)行游動，這款軟體游泳機(jī)器魚通過簡單調(diào)節(jié)單輸入驅(qū)動頻率，能夠在更加復(fù)雜且非結(jié)構(gòu)化的水下環(huán)境中穿越障礙，實現(xiàn)潛在的高效巡航。圖3顯示通過調(diào)節(jié)驅(qū)動頻率，軟體游泳機(jī)器魚在由頂部兩個泡沫板（作為上方障礙物）和底部一個金屬板（作為下方障礙物）組成的水下障礙中的巡航表現(xiàn)，包括無碰撞 (i) 和發(fā)生碰撞 (ii) 的情況。虛線表示其游泳軌跡。在 (ii) 和 (iii) 中，軟體游泳機(jī)器人在下潛和上升過程中分別與上方和下方障礙物發(fā)生碰撞。3B顯示了在其導(dǎo)航過程 [(A), i] 中，對應(yīng)的攻角隨時間的變化情況。軟體游泳機(jī)器魚的上升和下降機(jī)動通過平衡三個垂直力來實現(xiàn)：重力、浮力和升力。機(jī)動過程中重力保持不變。當(dāng)氣動腔充氣導(dǎo)致翼片翻轉(zhuǎn)時，浮力增加。在翻轉(zhuǎn)運動過程中，升力也會增加，因為向下偏轉(zhuǎn)的翻轉(zhuǎn)噴射比向上偏轉(zhuǎn)的回彈噴射更強(qiáng)。這種噴射強(qiáng)度的差異可能導(dǎo)致正的頻率相關(guān)升力。因此，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動頻率可以實現(xiàn)受控的垂直機(jī)動。
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq4222
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