受蝠鲼启发的一款新型水下机器人打破了最快游泳软体机器人的世界纪录。这款机器人由北卡罗来纳州立大学和弗吉尼亚大学的工程师团队设计，能够达到每秒 6.8 个身长的速度。这相当于每秒 156.4 毫米或大约 0.35 英里/小时的游动速度。这个速度远远超过了该研究团队先前设定的每秒 3.74 个身长的记录。据今天在《科学进展》杂志上发表的研究成果显示，研究人员告诉《大众科学》，新设计可能对未来的深海探索工作有用。
研究人员最初的目标是创造一种同时具备速度快、能效高和机动性强的软体水下机器人。与往常情况一样，他们从大自然中寻找灵感。尽管人们可能首先想到模仿马林鱼或其他以速度著称的鱼类来设计，但研究人员却被蝠鲼，特别是它们独特的“翅膀状胸鳍”所吸引。
北卡罗来纳州立大学博士生、论文合著者 Haitao Qing 告诉《大众科学》，他对蝠鲼和其他海洋动物以惊人的能效推进自己的方式着迷。在他看来，它们的天然生物设计似乎“内在优化”，能够胜任在非结构化环境中导航等任务，而这是传统硬体机器人通常难以做到的。在进一步观察了这种动物之后，Qing 意识到它优雅的拍打动作和游泳模式“完美契合了软体机器人的目标”。
“蝠鲼之所以成为自然的灵感来源，是因为它们独特的游泳机制，结合了效率、速度和机动性，”Qing 说。“它们翅膀状的胸鳍产生振荡运动，不仅优雅，而且对推进力非常有效，使它们能够毫不费力地在水面和水下滑行。”
视频：研究人员设计了一款具有拍打鳍的软体机器人，该鳍可以自发地弹回初始状态。图片来源：Haitao Qing，北卡罗来纳州立大学
物超所值的双拍打
在获得灵感后，研究人员设计了一款游泳机器人，其主体由柔性硅胶制成，并配有类似于蝠鲼鳍的柔性鳍。这款新机器人基于团队之前的设计，引入了 Qing 所称的“单稳态弹回机制”。以前，研究人员需要将压缩空气泵入机器人体内才能使其翅膀向两个方向拍打。这种新方法仍然需要空气一次性拍打翅膀，然后它们会在机器人的恢复行程中被动地弹回。结果是：一个更简单、更节能的机器人游泳者。
“这种简化提高了能效，降低了机械复杂性，并提高了整体游泳速度，”Qing 说。
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研究人员通过新的几何形状改进了机器人以往版本的翅膀设计，Qing 表示这实现了速度和效率的更好整体平衡。他们同样切换为单输入气动系统，这有助于使机器人更容易控制，并更能适应其环境中可能发生的变化。他们还调整了机器人的浮力，使其能够在水面附近和更深处游泳。
蝠鲼机器人可以探索海洋和监测海洋生物
研究人员在两个水下障碍赛道中操纵他们的软体游泳机器人，一个在水面附近，一个在水箱底部。其中一名研究人员远程控制机器人，使用气动控制系统引导它并调整其翅膀拍打的次数。蝠鲼的设计帮助机器人以创纪录的软体机器人世界纪录时间通过障碍赛道。现在，根据北卡罗来纳州立大学副教授 Jie Yin 的声明，该团队正在研究改进机器人的横向运动，并增加新的驱动模型来推进它。
“我们的目标是采用一种保持这种优雅简洁的设计，”Yin 说。
“这款机器人设计的真正妙处，”Qing 说，在于它的简洁性。展望未来，他设想了现实场景，研究人员将使用具有这种流线型运动的游泳机器人进行长期的深海探索、水下海洋监测，甚至监测水质水平以发现污染和环境变化的迹象。而且，这种设计并非局限于海洋。Qing 说，类似的拍打翼方法也可以应用于在陆地和空中运行的机器人。
更正 2024年12月4日下午3:37：本文之前的版本将 Jie Yin 描述为北卡罗来纳州立大学的一名学生。
