机械手臂和蝴蝶(学者开发“蝴蝶机器人”，是迄今为止游泳最快的软机器人)

Posted 2023-05-29

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机械手臂和蝴蝶(学者开发“蝴蝶机器人”，是迄今为止游泳最快的软机器人)

受蝠鲼生物力学的启发，研究人员开发了一种节能的软机器人，其游泳速度比以前的软机器人快四倍以上。这些机器人被称为“蝴蝶机器人”，因为它们的游泳动作类似于人们在蝶泳时手臂的运动方式。

“到目前为止，游泳软机器人的游泳速度还不超过每秒一个体长，但海洋动物如蝠鲼能够游得更快，效率更高，”该项研究论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程副教授尹杰（Jie Yin）表示。“我们想借鉴这些动物的生物力学，看看我们能否开发出更快、更节能的软机器人。我们开发的原型工作得非常好。”

研究人员开发了两种蝴蝶机器人。其中一款专为速度打造，能够达到每秒3.74个身体长度的平均速度。第二个设计为高度机动，能够向右或向左急转弯。这架可操纵的原型车能够达到每秒1.7个车身长度的速度。

“研究空气动力学和生物力学的研究人员使用一种叫做Strouhal数的方法来评估飞行和游泳动物的能量效率，”该论文的第一作者、北卡罗来纳州立大学博士毕业生Yinding Chi说道。“当动物游动或飞行时，Strouhal数在0.2到0.4之间时，就会出现最高推进效率。我们的两个蝴蝶机器人的Strouhal值都在这个范围内。”

蝴蝶机器人的游泳能力来自翅膀，翅膀是“双稳态”的，这意味着翅膀有两种稳定状态。翅膀类似于发夹。发夹是稳定的，直到你施加一定的能量（通过弯曲它）。当能量达到临界点时，发夹会变成不同的形状——这也是稳定的。

在蝴蝶机器人中，以发夹为灵感的双稳态翅膀连接在柔软的硅胶机身上。使用者通过将空气泵入柔软身体内部的腔室来控制机翼中两种稳定状态之间的切换。当这些室充气和放气时，身体上下弯曲，迫使翅膀随之前后弹动。

尹说：“以前开发扑翼机器人的大多数尝试都集中在使用电机直接为翅膀提供动力。我们的方法使用双稳态机翼，通过移动中心体被动驱动。这是一个重要的区别，因为它允许简化设计，从而降低重量。”

速度更快的蝴蝶机器人只有一个“驱动单元”——柔软的身体——它控制着两个翅膀。这使得它很快，但很难向左或向右转弯。可操纵的蝴蝶机器人基本上有两个并排连接的驱动单元。这种设计允许用户操纵两侧的机翼，或者只“拍打”一只机翼，这使得它能够进行急转弯。

尹说：“这项工作是一个令人兴奋的概念证明，但它有局限性。最明显的是，目前的原型是由细长的管道连接的，这是我们用来将空气泵入中央机体的管道。我们目前正在开发一种不受约束的自主版本。”