機(jī)器金槍魚(yú)尾部?jī)?nèi)置的彈性調(diào)節(jié)執(zhí)行器能根據(jù)當(dāng)前游動(dòng)速度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)尾部彈性。來(lái)源：Qiang Zhong（鐘強(qiáng)），Daniel Quinn /University of Virginia.
傳統(tǒng)的螺旋槳驅(qū)動(dòng)水下潛航器系統(tǒng)能在特定的設(shè)計(jì)巡航速度下保持較高的推進(jìn)效率，但通常無(wú)法同時(shí)在高速和低速下保持高推進(jìn)效率。相對(duì)比之下，自然界的魚(yú)類(lèi)卻能夠在較大的速度范圍內(nèi)保持極高的游動(dòng)效率。而其中的關(guān)鍵因素便是魚(yú)類(lèi)那由肌肉構(gòu)成的柔性身體。受此啟發(fā)，過(guò)去的研究人員開(kāi)發(fā)了一些模仿魚(yú)類(lèi)的柔性機(jī)器魚(yú)系統(tǒng)，如通過(guò)柔性液壓驅(qū)動(dòng)器、柔性仿生肌腱來(lái)模仿魚(yú)體的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)。然而，如何選擇合適的彈性設(shè)計(jì)卻是一大難題。
不恰當(dāng)?shù)膹椥越Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)降低機(jī)器魚(yú)的游動(dòng)性能，其推進(jìn)速度和效率也往往遠(yuǎn)不及生物學(xué)原型。機(jī)器魚(yú)尾部的剛度就如同自行車(chē)上的換擋齒輪。固定彈性（剛度）設(shè)計(jì)的機(jī)器魚(yú)就像是一臺(tái)不能變速的自行車(chē)，僅僅一小段山路就足以令人精疲力竭。但通過(guò)變速機(jī)構(gòu)，我們則可以針對(duì)不同騎行路況選擇最優(yōu)擋位來(lái)節(jié)省體力。全面且細(xì)致地研究尾部彈性對(duì)于游動(dòng)性能的影響及其背后的流體力學(xué)機(jī)理，對(duì)于未來(lái)高性能仿生水下潛航器的開(kāi)發(fā)至關(guān)重要。
在最新一期《Science Robotics》的文章中，來(lái)自弗吉尼亞大學(xué)的教授 Dan Quinn 和博士后鐘強(qiáng)結(jié)合生物力學(xué)、流體力學(xué)和機(jī)器人學(xué)揭秘了如何利用動(dòng)態(tài)彈性調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)高性能游動(dòng)。該研究介紹了一種具有動(dòng)態(tài)尾部彈性調(diào)節(jié)功能的機(jī)器金槍魚(yú)平臺(tái)，能夠根據(jù)當(dāng)前的游動(dòng)速度通過(guò)可編程的人造肌腱自動(dòng)調(diào)節(jié)尾巴剛度。通過(guò)動(dòng)態(tài)彈性調(diào)節(jié)，該機(jī)器金槍魚(yú)在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了更大的游動(dòng)速度調(diào)節(jié)范圍的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了接近 100% 的推進(jìn)效率增長(zhǎng)。這種動(dòng)態(tài)彈性調(diào)節(jié)方法解決了目前柔性仿生機(jī)器魚(yú)的性能瓶頸，并為將來(lái)開(kāi)發(fā)高頻率、高速的大型仿生水下潛航系統(tǒng)提供了新的解決方案。
論文地址：https://robotics.sciencemag.org/content/6/57/eabe4088
材料硬度難以把控？
不如學(xué)魚(yú)類(lèi)自行調(diào)節(jié)尾部「硬度」
生物學(xué)研究認(rèn)為，魚(yú)類(lèi)在通過(guò)自身肌肉驅(qū)動(dòng)尾部擺動(dòng)的同時(shí)，部分肌肉也被應(yīng)用于身體彈性調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)高推進(jìn)效率。金槍魚(yú)通過(guò)肌肉控制貫穿全身的肌腱系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)尾巴彈性。但由于其結(jié)構(gòu)特性，我們沒(méi)有辦法直接在活的金槍魚(yú)體上測(cè)試動(dòng)態(tài)彈性調(diào)節(jié)對(duì)于游動(dòng)性能的影響。
為了探索金槍魚(yú)在變速游動(dòng)中的彈性調(diào)節(jié)機(jī)理以及其背后的流體力學(xué)原理，我們以金槍魚(yú)解剖結(jié)構(gòu)為原型并將其建模，基于此設(shè)計(jì)了機(jī)器金槍魚(yú)平臺(tái)。不同于此前的仿生學(xué)研究偏向于模仿魚(yú)體結(jié)構(gòu)及游動(dòng)姿態(tài)，我們刻意地減少了魚(yú)體結(jié)構(gòu)復(fù)雜度以專(zhuān)注于研究尾部彈性對(duì)于游動(dòng)性能的影響。除此之外，我們還配套開(kāi)發(fā)了高頻率驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器金槍魚(yú)，以達(dá)到類(lèi)似真實(shí)金槍魚(yú)的游動(dòng)頻率（7 赫茲左右）。
基于真實(shí)金槍魚(yú)結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)建模設(shè)計(jì)機(jī)器金槍魚(yú)。
結(jié)合流體力學(xué)與機(jī)器人學(xué)，來(lái)看看游動(dòng)的魚(yú)尾如何變「硬」
在這個(gè)研究中，我們結(jié)合機(jī)器人學(xué)和流體力學(xué)，同步從流體力學(xué)建模和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方向入手來(lái)全面探索動(dòng)態(tài)彈性調(diào)節(jié)對(duì)于游動(dòng)性能的影響。通過(guò)結(jié)合魚(yú)體的動(dòng)力學(xué)模型和非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)模型（Theodorsen Model）, 我們能夠用數(shù)學(xué)模型對(duì)動(dòng)態(tài)彈性調(diào)節(jié)和魚(yú)體游動(dòng)性能做出預(yù)測(cè)。除此之外，我們還開(kāi)發(fā)了一套智能化的信息物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并在我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器金槍魚(yú)上開(kāi)展了大量實(shí)驗(yàn)。
流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)高度吻合，由此得出尾巴彈性應(yīng)根據(jù)游速平方比例調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)最高游動(dòng)性能。
我們發(fā)現(xiàn)，在變速游動(dòng)過(guò)程中，尾巴的彈性系數(shù)應(yīng)隨著游動(dòng)速度平方比例增長(zhǎng)，從而通過(guò)這種簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)最高推進(jìn)效率。為了進(jìn)一步驗(yàn)證動(dòng)態(tài)彈性調(diào)節(jié)在真實(shí)環(huán)境中的有效性，我們利用信息物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)去模擬了長(zhǎng)續(xù)航機(jī)動(dòng)游動(dòng)任務(wù)，在與金槍魚(yú)相似的游動(dòng)參數(shù)范圍內(nèi)（擺動(dòng)頻率：0 到 6 赫茲，游動(dòng)速度：0 到 2 體長(zhǎng)每秒），動(dòng)態(tài)彈性調(diào)節(jié)最多能實(shí)現(xiàn)接近 100% 推進(jìn)效率提升。
動(dòng)態(tài)彈性調(diào)節(jié)應(yīng)用前景廣闊
我們提出的動(dòng)態(tài)彈性調(diào)節(jié)方法解決了困擾研究人員多年的柔性仿生機(jī)器魚(yú)的性能瓶頸，為未來(lái)設(shè)計(jì)高頻率、高速的大型仿生水下潛航系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)。該研究結(jié)果不僅適用于當(dāng)前的機(jī)器金槍魚(yú)平臺(tái)，更能拓展至很多其他的仿生推進(jìn)應(yīng)用場(chǎng)景。基于我們的模型預(yù)測(cè)，動(dòng)態(tài)彈性調(diào)節(jié)尤其適合于大尺寸、高速、高頻率的仿生潛航器。該項(xiàng)研究為未來(lái)的高性能仿生推進(jìn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供了新的解決方案，有望大幅度提高仿生柔性機(jī)器系統(tǒng)的推進(jìn)性能和應(yīng)用能力，讓柔性智能設(shè)備從單一的實(shí)驗(yàn)環(huán)境走向?qū)嶋H海洋作業(yè)等復(fù)雜場(chǎng)景。
