工程师如何教会受蝠鲼启发的机器人蝶泳

制造一个能游得很好的机器人可能非常困难。部分原因是生物在水中移动的物理原理通常很复杂，很难复制。但这并没有阻止研究人员研究海洋动物的移动方式，以便制造出更好的水上机器人。

北卡罗来纳州立大学的工程师为该领域带来了一项引人注目的成果，他们发明了一种可以进行蝶泳的蝠鲼类机器人。本周， 《科学进展》杂志发表了他们设计的详细描述。

“到目前为止，游泳软机器人的游动速度还不能超过每秒一个身体长度，但蝠鲼等海洋动物的游动速度要快得多，而且效率要高得多，”北卡罗来纳州立大学副教授、论文作者之一尹杰在新闻稿中表示。“我们希望借鉴这些动物的生物力学，看看我们能否开发出速度更快、更节能的软机器人。”

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结果，该团队组装了两个版本的硅“蝴蝶机器人”：一个版本的平均速度可达每秒 3.74 个身体长度，另一个版本可以向左或向右急转弯。两者的大小都与人的手掌差不多。

与过去使用马达直接操作机翼的类似生物机器人概念不同，北卡罗来纳州立大学团队的机器人使用“双稳态”机翼来拍打翅膀，该机翼可以像发夹或弹出式跳跃玩具一样卡入两个不同的位置。为了改变弯曲旋转机翼的位置，研究人员使用系绳将空气泵入机器人身体的上腔和下腔。当腔室充气和放气时，身体会上下弯曲，使机翼来回弹动。

在水族馆测试机器人时，研究人员发现，给顶部气室充气会导致软体向上弯曲，从而引发向下运动。放气并给底部气室充气会导致身体向下弯曲，从而引发翅膀向上运动。在从向上运动到向下运动的过渡过程中，机器人身体被推入水中深处，然后向前推进。这种设计使软机器人更轻，更节能。

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蝴蝶机器人的第一个版本是为速度而打造的。它拥有一个控制双翼的驱动装置。第二个版本是为机动性而打造的。它有两个相连的驱动装置，可以独立控制每个机翼。只拍打一只机翼可以让它更容易转弯。

“这项研究是一个令人兴奋的概念验证，但它也有局限性，”尹说。“最明显的是，目前的原型机被细长的管子束缚着，我们用它向中央体部泵入空气。我们目前正在开发一种不受束缚的自主版本。”

观看蝴蝶机器人的实际操作如下：