弗吉尼亚大学的研究人员创造了一种受金枪鱼启发的机器人，它长近14英寸，能够以与真金枪鱼一样快的速度（每秒七次）摆动尾巴，并以高达1.5英里/小时的速度游泳，相当于每秒两个身体长度。
在一篇新发表在《Science Robotics》上的论文中，该项创造背后的团队详细介绍了他们如何制造出这条金枪鱼般的机器人——一种能够收紧或放松其尾部关节以不同速度移动的机器。这种机制使这条金枪鱼机器人能够达到高速，同时还能节省能量，这种方法有一天可能有助于改进游泳机器人甚至水下航行器。
许多机器人研究人员一直在 pilot 他们自己的机器人鱼。“我们之所以不同，是因为我们研究的是（真实鱼类的）物理原理，而不是仅仅模仿形状或示意图来制造一条像真鱼一样的机器人，”弗吉尼亚大学的博士后研究员、该论文的第一作者齐强（Qiang Zhong）说。该团队分析了真实金枪鱼的视频，以推导出其运动的流动物理学，然后利用这些信息来指导他们的设计。
鱼类不仅利用肌肉产生运动，还利用肌肉来调整尾部的柔韧性或硬度以高效游泳。它们可以调节其硬度，使其像纸片一样柔软，或像树枝一样坚硬。这类似于汽车通过改变档位来提高不同行驶速度下的效率。
金枪鱼的整个身体都贯穿着肌腱，当它们对这些肌腱施加力量时，它们可以使尾部变硬以游得更快。该团队试图用弹簧和马达来模仿这种肌肉-肌腱系统。
“我们进行的研究是为了尝试理解鱼类的比例理论，”齐强说。“我们不仅仅是制造出像鱼一样的东西，更像是我们想从鱼那里获得灵感，理解这里面发生了什么，然后将这个系统应用到我们想要的任何东西上。”
他们最终的创造是一条简化的机器人鱼，配备了高频驱动器（模拟运动）和一个弹簧系统，该系统将弹簧的力转化为尾部关节的硬度。
自然是人类中心机器的灵感缪斯
金枪鱼机器人属于一种小众的仿生学（biomimicry）或仿生机器人（biomimetic robots）家族，它们是模仿动物的机器人。之前的作品包括受章鱼、蝠鲼、猎豹、鸽子和蝙蝠影响的机器人，这仅仅是其中的一部分。越来越多的研究人员正在从大自然中寻求指导，以制造更好的机器人。事实上，来自弗吉尼亚大学的另一组研究人员在2019年于《Science Robotics》上展示了他们的金枪鱼机器人。
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一些软体机器人也可以通过弹簧、驱动器、人造肌腱和马达等机制来调节自身的硬度。具有可调节柔韧性的软体机器人是能够最平稳地改变速度的机器人。
“在其他机器人，例如步行机器人中，他们尝试设计了硬度调节机制，所以这是有先例的。我们不得不考虑如何将其放入鱼体内，”弗吉尼亚大学机械与航空航天工程系助理教授、该论文的作者丹尼尔·奎因（Daniel Quinn）说。
奎因说，特别吸引人们对鱼形机器人感兴趣的原因在于，与我们目前拥有的最先进的水下航行器相比，鱼类非常灵活；那些航行器相当笨拙，基本上只能以单一巡航速度直线行驶。“它们有螺旋桨来定位，但它们并没有真正设计成能做出鱼类那样翻滚的动作，”他说。“如果你需要从沿海前哨出发，快速游出数英里去处理石油泄漏，然后减速并进行急转弯进行测量或保持静止——目前我们的航行器在执行这种多模式任务方面非常糟糕。”
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此外，在浅水区操作时，螺旋桨很容易被海藻和其他海洋垃圾卡住。像鱼一样的航行器不仅能够滑翔穿过水下环境，而且该系统还可以以比螺旋桨更低的频率运行，因此它们产生的噪音相对较低。“这更环保，特别是当你想要进行海洋资源调查并在珊瑚或其他鱼类附近游动时，”齐强说。
这项研究部分得到了海军研究局和国家科学基金会的资助，可能催生下一代水下航行器。
金枪鱼机器人的制作方法
金枪鱼机器人分为两个部分：“头部”产生阻力，“尾部”产生推力。一个驱动器位于尾部的前面，通过产生前后运动来为尾部提供动力，这种运动会贯穿整个尾部关节。金枪鱼机器人被悬挂在一个支架上，并安装在一个气垫平台上，这样它就可以“像在气垫球桌上一样滑动”，奎因解释说。“这意味着我们可以研究这条鱼如何自主移动，同时，我们可以进行非常详细的测量，因为它不是完全不受约束的。”
鱼形模型的各个部分（头部、尾架、尾壳、尾关节、尾鳍、尾鳍连接器）被3D打印，然后组装。除了尾关节外，所有部件都用防水尼龙3D打印。使用硅胶来密封尾架和尾壳之间的间隙。尾关节和尾鳍连接器使用不锈钢3D打印，以承受压力。
金枪鱼机器人由自动编程代码控制。这意味着鱼可以根据闭环中的环境条件实时调整其游动方式；金枪鱼在水槽中进行了测试，水槽就像游泳机器人的跑步机。“我们只需提高速度，随着水槽模拟越来越快的流速，它就必须游得越来越快，”奎因解释说。
该团队让金枪鱼机器人执行了“任务”，例如在650英尺的S形冲刺中，它从慢速逐渐加速到快速。
尽管最终结果令人印象深刻，但金枪鱼机器人仍只是该团队希望建造的技术的早期迭代。“你可以看到我们的尾巴仍然是僵硬的。但真鱼的尾巴是由肌肉组成的，”齐强说。“它们几乎有无限的自由度。”
这也是鱼类如此灵活的关键原因之一。“对我们现在的系统来说，我们是受限制的。我们不能真正像海星或脆骨鱼那样进行花哨的机动。要做到这一点，你需要增强和改进自由度，”他指出。“未来，我们希望使用一些智能材料，比如人造肌肉来控制整个尾部的硬度。如果人造肌肉足够强大，我可以将其扩展到整条鱼。这将使我们的鱼更像一条真正的鱼，并减少其他机械部件产生的噪音。这将使我们的系统更接近自然系统。”
