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受魔鬼鱼生物力学的启发，北卡罗来纳州立大学的研究人员开发了一种节能的软体机器人，它的游泳速度比以前的游泳软体机器人快四倍以上。这些机器人被称为“蝴蝶机器人”，因为它们的游泳动作类似于人在蝶泳时手臂的运动方式。
“到目前为止，会游泳的软体机器人还不能以每秒一个体长的速度游泳，但是海洋动物——比如蝠鲼——能够游得更快，更有效，”一篇关于这项工作的论文的通讯作者、北卡州立大学机械与航空航天工程副教授Jie Yin说。“我们想利用这些动物的生物力学，看看我们是否能开发出更快、更节能的软体机器人。我们开发的原型运行得非常好。”
研究人员开发了两种蝴蝶机器人。其中一辆是专门为速度而建造的，能够达到每秒3.74个体长的平均速度。第二辆被设计为高度机动，能够向右或向左急转弯。这个可操纵的原型能够达到每秒1.7个身长的速度。
“研究空气动力学和生物力学的研究人员使用一种叫做斯特劳哈尔数的东西来评估飞行和游泳动物的能量效率，”这篇论文的第一作者、最近从北卡罗来纳州立大学获得博士学位的池胤定说。“当动物游泳或飞行时，斯特劳哈尔数在0.2到0.4之间，就会出现最高推进效率。我们的两个蝴蝶机器人的斯特劳哈尔数都在这个范围内。”
蝴蝶机器人的游泳力量来自它们的翅膀，这是“双稳态”的，这意味着翅膀有两种稳定状态。翅膀类似于一个短发夹。一个发夹是稳定的，直到你施加一定的能量(通过弯曲它)。当能量达到临界点时，发卡就会变成另一种形状——这种形状也是稳定的。蝴蝶机器人的视频可以在https://youtu.be/Pi-2pPDWC1w．
在蝴蝶机器人中，受发夹启发的双稳翅膀被连接到一个柔软的硅胶身体上。用户通过将空气抽入软体内部的腔室来控制机翼中两种稳定状态之间的切换。当这些腔室膨胀和收缩时，身体上下弯曲，迫使翅膀随之来回摆动。
尹说:“以前开发扑翼机器人的大多数尝试都集中在使用电机直接为翅膀提供动力。”“我们的方法使用双稳态翅膀，通过移动中心身体被动地驱动。这是一个重要的区别，因为它可以简化设计，降低重量。”
速度更快的蝴蝶机器人只有一个“驱动单元”——柔软的身体——控制它的两个翅膀。这使得它非常快，但很难向左或向右转弯。可操作的蝴蝶机器人本质上有两个驱动单元，它们并排连接。这种设计允许用户操纵两侧的机翼，或者只“拍打”一侧机翼，这就是它能够进行急转弯的原因。
“这项工作是一个令人兴奋的概念证明，但它有局限性，”尹说。“最明显的是，目前的原型是由细长的管道系住的，这是我们用来将空气泵入中心身体的东西。我们目前正致力于开发一种不受束缚的自动驾驶版本。”
这张纸。”抓拍高速高效，蝶泳般的柔泳者发表在开放获取期刊上科学的进步．这篇论文由北卡罗来纳州立大学博士生洪耀烨(Yaoye Hong)共同撰写;以及北卡罗来纳州立大学博士后研究员赵瑶和李彦斌的研究。这项研究得到了美国国家科学基金会CMMI-2005374和CMMI-2126072的支持。
希普曼-
编者须知:研究摘要如下。
“快速高效，蝶泳般柔软游泳者的抓拍”
作者:池银鼎，洪耀烨，赵瑶，李彦斌，尹杰，美国北卡罗来纳州立大学
发表: 11月18日科学的进步
DOI: 10.1126 / sciadv.add3788
文摘:自然选择使许多飞行动物和游泳动物共享同一狭窄的设计空间，以获得更高的动力效率，例如，它们的无因次斯特鲁哈尔数St将扑动频率和振幅与前进速度联系在0.2 < St < 0.4的范围内，以获得最高推进效率。由于自然选择的狭窄设计空间和柔软的身体顺应性，对海洋动物来说，既要达到相对较快的速度，又要达到高效率的软性游泳者是相当具有挑战性的。在这里，受游泳动物拍打运动的生物启发，我们报告了软扑翼游泳者的拍打不稳定性，与生物对手具有相当的高性能。这种轻巧的蝶泳式软式游泳者(2.8克)表现出创纪录的3.74体长/秒的速度(比报道的最快扑翼软式游泳者快4.8倍)，高动力效率(0.2 < St = 0.25 < 0.4)，低能量消耗成本和高机动性(157o/s的高转弯速度)。
