機(jī)器魚尾和優(yōu)雅的數(shù)學(xué)比例可以為下一代水下無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)提供信息

水下車輛通常設(shè)計(jì)用于一種巡航速度，而在其他速度下通常效率低下。與魚游得好、快或慢的方式相比，該技術(shù)還處于初級(jí)階段。

如果您希望您的水下航行器快速穿越數(shù)英里的海洋，然后減速以繪制狹窄的珊瑚礁，或加速到漏油地點(diǎn)然后節(jié)流閥進(jìn)行仔細(xì)測(cè)量，該怎么辦?

弗吉尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院助理教授Dan Quinn和他的同事，最近獲得 UVA 博士學(xué)位。研究生和博士后研究員鐘強(qiáng)發(fā)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)此類多速任務(wù)的關(guān)鍵策略。他們展示了一種在機(jī)器人中實(shí)施這一策略的簡(jiǎn)單方法，最終可以為水下航行器設(shè)計(jì)提供信息。他們的工作最近發(fā)表在《科學(xué)機(jī)器人》上。

在設(shè)計(jì)游泳機(jī)器人時(shí)，研究人員不斷提出的一個(gè)問(wèn)題是推動(dòng)機(jī)器人在水中前進(jìn)的部件應(yīng)該有多硬。這是一個(gè)很難的問(wèn)題，因?yàn)樵谀承┣闆r下運(yùn)行良好的相同剛度在其他情況下可能會(huì)失敗。

“有一個(gè)尾部剛度就像在自行車上有一個(gè)齒輪比，”奎因說(shuō)，他在機(jī)械和航空航天工程以及電氣和計(jì)算機(jī)工程方面擁有聯(lián)合任命。“你只能以一種速度高效。這就像用固定齒輪自行車在舊金山騎自行車一樣;走幾個(gè)街區(qū)你就會(huì)筋疲力盡。”

魚很可能通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整它們的剛度來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題：它們根據(jù)情況調(diào)整不同的剛度級(jí)別。

問(wèn)題是，沒(méi)有已知的方法來(lái)測(cè)量游泳魚的剛度，因此很難知道魚是否以及如何做到這一點(diǎn)。Quinn 和 Zhong 通過(guò)結(jié)合流體動(dòng)力學(xué)和生物力學(xué)來(lái)推導(dǎo)出一個(gè)模型來(lái)說(shuō)明如何以及為什么應(yīng)該調(diào)整尾部剛度，從而解決了這個(gè)問(wèn)題。

“令人驚訝的是，”奎因說(shuō)，“從所有的數(shù)學(xué)計(jì)算中得出一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)果：游泳速度的平方會(huì)增加硬度。

“為了測(cè)試我們的理論，我們建造了一個(gè)魚形機(jī)器人，它使用可編程的人造肌腱在水道中游泳時(shí)調(diào)整自己的尾巴剛度。發(fā)生的事情是，突然間，我們的機(jī)器人可以在更寬的速度范圍內(nèi)游泳，同時(shí)使用的能量幾乎是具有固定剛度尾巴的同一機(jī)器人的一半。進(jìn)步真的非常顯著。”

“我們的工作是第一個(gè)結(jié)合生物力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)和機(jī)器人技術(shù)來(lái)綜合研究尾巴剛度的工作，這有助于揭開尾巴剛度如何影響游泳表現(xiàn)的長(zhǎng)期存在的謎團(tuán)，”鐘說(shuō)。“更奇妙的是，我們不僅專注于理論分析，還專注于提出可調(diào)剛度的實(shí)用指南。我們提出的可調(diào)剛度策略已被證明在現(xiàn)實(shí)的游泳任務(wù)中是有效的，其中機(jī)器魚同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高速和高效率的游泳。”

標(biāo)簽： 機(jī)器魚尾