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创新

新型机器鱼速度和能效大幅提高

2019-09-28 16:58:34  责任编辑:邱莎莎  来源:科技日报  

  研究人员开发的机器鱼,是一种探索鱼类游泳性能空间的高频实验平台。图片来源:《科学》网站

  仿生学对机器人研发至关重要,机器鱼就是将仿生学用于机器人科学的典型例子。虽然目前机器鱼在速度、灵活性等方面还无法比拟真正鱼类,但差距在逐步缩小。一国际研究团队在最近的《科学·机器人》杂志上刊文,介绍了一种游泳速度和能量效率俱佳的新型机器鱼,其速度可达每秒1米,而在此速度下,一个10瓦时电池组可支持其续航4.2公里。

  鱼在游泳时,会产生沿着身体从头到尾的波浪状运动,增加这种波动的频率,就会提高其行进的速度。一般来说,鱼尾摆动的频率在0.1赫兹到20赫兹之间,而目前大多数模仿该种游泳风格的机器鱼,尾摆频率都很低,小于2赫兹,不仅游动速度慢,每秒仅能行进四分之一到一个自身体长,而且很耗能。

  此次,由美国弗吉尼亚大学生物工程研究实验室朱建忠教授领导的研究团队,以游泳速度快而闻名的黄鳍金枪鱼和大西洋鲭鱼为原型,开发出一种新型机器鱼。机器鱼体长255.3毫米、宽49.2毫米、高67.8毫米,由头部组件、中央致动组件和尾鳍组件3部分组成,其尾摆频率能够达到15赫兹,此时其每秒可行进4个体长的距离,也就是1米。该机器鱼的能量效率表现也很优异,当游泳速度为每秒0.4米时,一个10瓦时电池组可支持其续航9.1公里;当游泳速度为每秒1米时,一个10瓦时电池组可支持其续航4.2公里。

  研究人员表示,生物学研究可以激发高性能机器人的设计和开发,而黄鰭金枪鱼、大西洋鲭鱼等鲭科鱼类就是研究水下高性能运动行为的理想群体,他们希望通过观察和模仿这些鱼类的运动模式,将其生物特征结合到机器人平台中,以优化仿生型水下航行器的性能,并最终实现超越。

  总编辑圈点

  生命在漫长的自然选择中,进化出很多令人叹为观止的功能。它们给科学研发带来不少启发,这就是“仿生学”的由来。仿生学的例子比比皆是:潜水艇的研发灵感来源于鹦鹉螺;一些防水墙面涂料的研发灵感来源于荷叶的疏水功能;有些防滑材料的设计灵感则来源于壁虎的脚趾……如今,机器人的研发更是离不开仿生学。人形机器人就不用说了,不断亮相的机器狗、机器飞鸟、机器鱼等产品,哪个不是从自然生命中获得启发?

责任编辑:邱莎莎