金枪鱼机器人展示在水中优雅滑行的艺术

弗吉尼亚大学的研究人员发明了一种新型金枪鱼机器人，长约 14 英寸，其尾巴拍打速度与真正的金枪鱼一样快（每秒七次），游泳速度可达每小时 1.5 英里，即每秒两个体长的距离。

在《科学机器人》杂志发表的一篇新论文中，该发明背后的团队详细介绍了他们如何制造这种类似金枪鱼的机器人——一种可以收紧或放松尾部关节以以不同速度移动的机器。这种机制使金枪鱼机器人能够达到高速，同时还能节省能源，这种方法有朝一日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驾驶自己的机器鱼。弗吉尼亚大学博士后研究员、论文第一作者钟强表示：“我们与众不同，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原理图来制造类​​似真实机器鱼的东西。”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原理，然后将其用于设计。

鱼类不仅利用肌肉产生运动，还能调整尾巴的柔韧性或僵硬程度，以便高效游动。它们可以调整僵硬程度，使自己可以像纸一样柔软，也可以像树枝一样坚硬。这类似于汽车，通过换挡来提高效率，以适应不同的行驶速度。

金枪鱼的肌腱遍布全身，当它们对这些肌腱施加力量时，它们可以绷紧尾巴，从而游得更快。该团队尝试用弹簧和马达模拟这种肌腱系统。

“我们进行的研究是为了尝试理解鱼类的比例理论，”钟说。“我们不只是在建造像鱼一样的东西，我们更希望从鱼身上获得灵感，了解这里发生了什么，并将这个系统应用到我们想要的任何东西中。”

他们的最终创作是一个简化的机器鱼，配有高频执行器（近似运动）和弹簧系统，可将弹簧力转换为尾部关节刚度。

大自然是人类中心机器的灵感源泉

金枪鱼机器人属于仿生机器人，即模仿动物的机器人。此前的机器人包括受章鱼、蝠鲼、猎豹、鸽子和蝙蝠等动物影响的机器人。越来越多的研究人员开始从大自然中寻求如何制造更好的机器人的指导。事实上，UVA 的另一个团队在 2019 年的《科学机器人》杂志上展示了他们的金枪鱼机器人。

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一些软机器人还可以通过弹簧、致动器、人造肌腱和马达等机制调整自身的刚度。具有可调灵活性的软机器人可以最平稳地改变速度。

“在其他机器人中，例如步行机器人，他们试图提出刚度调节机制，所以有一些先例。我们必须考虑如何将它放入鱼体内，”弗吉尼亚大学机械和航空航天工程助理教授、论文作者丹尼尔·奎因 (Daniel Quinn) 说道。

奎因说，人们对鱼机器人的兴趣源于这样一个事实：与我们现在拥有的最好的水下机器人相比，鱼的机动性更强；那些水下机器人相当笨拙，基本上只能以一个巡航速度沿直线行驶。“它们有控制螺旋桨来定位，但它们的设计并不像鱼那样能做翻筋斗，”他说。“如果你需要从沿海前哨站出发，迅速游几英里到漏油处，然后放慢速度，做急转弯来做一些测量，或者一动不动地站着——目前我们的机器人在这种多模式任务上表现非常糟糕。”

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此外，在浅水中作业时，螺旋桨很容易被海草和其他海洋垃圾卡住。鱼形机器人不仅能够在水下环境中滑行，而且该系统的运行频率比螺旋桨低，因此它们在水下产生的噪音相对要低得多。“它更加环保，特别是如果你想进行一些海洋资源调查并在珊瑚或其他鱼类附近游泳时，”钟说。

这项研究由海军研究办公室和国家科学基金会部分资助，可能用于研发下一代水下航行器。

金枪鱼的制作方法

金枪鱼机器人分为两部分：产生阻力的“头部”和产生推力的“尾部”。执行器位于尾部前方，通过产生来回运动来为其提供动力，这种运动在整个尾部关节中回荡。金枪鱼机器人悬挂在钻机上，安装在空气衬套平台上，这样它就可以“像在空气曲棍球桌上一样滑动”，奎因解释说。“这意味着我们可以研究这种鱼是如何自主移动的，但同时，我们可以进行非常详细的测量，因为它并不是完全不受束缚的。”

鱼模型的各个部分（头部、尾部框架、尾壳、尾关节、尾鳍、尾鳍连接器）均采用 3D 打印，然后组装。除尾关节外，所有部件均采用防水尼龙 3D 打印。使用硅胶密封尾框架和外壳之间的间隙。尾关节和尾鳍连接器采用不锈钢 3D 打印，以承受压力。

金枪鱼机器人由自动编程代码控制。这意味着金枪鱼可以根据闭环环境条件实时调整游动方式；金枪鱼在水道中接受测试，水道就像是游泳机器人的跑步机。“我们只是加快速度，这样它就必须游得越来越快，因为隧道模拟的流速越来越快，”奎因解释说。

研究团队让金枪鱼机器人执行“任务”，比如蜿蜒 650 英尺的短跑，它的速度从慢速慢慢加速到快速。

尽管最终结果令人印象深刻，但金枪鱼机器人仍然只是该团队希望打造的技术的早期版本。“你可以看到我们的尾巴仍然是刚性的。但真鱼的尾巴是由肌肉构成的，”钟说。“它们几乎有无限的自由度。”

这是鱼类如此柔韧的一个关键原因。“就我们的系统而言，目前我们的能力有限。我们无法真正做出像海星或脆鱼那样的花哨动作。要做到这一点，你需要增强和提高自由度，”他指出。“未来，我们希望使用一些智能材料，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。”