仿生科学解析成功金枪鱼,机器人Tunabot有望超越鱼类

2022-06-22 17:25:09 404

《金枪鱼机器人学:探索游动鱼类行为空间的高频实验平台》于2019年9月18日发表在《科学机器人学》杂志上。


机器金枪鱼游动得像真实鱼类一样快

这项机器人金枪鱼计划是由美国海军研究办公室发起的,授予巴特·史密斯的一项为期五年、耗资720万美元的多学科大学研究计划,该计划由uva工程机械和航空航天工程系教授希拉里·巴特·史密斯领导,为了研究不同鱼类的有效水下驱动。

巴特·史密斯项目的目的是更好地理解鱼类推进的物理学,这项研究终可能为下一代水下机器人的发展提供信息,这种机器人由比螺旋桨更好的类鱼系统驱动。

水下机器人在国防、海洋资源勘探、基础设施检测和娱乐等领域也有着广泛的应用。然而,在以生物为动力的推进系统能够在有人和无人驾驶车辆上用于公共和商业用途之前,研究人员必须了解鱼类和其他生物是如何在水中移动的。

“我们的目标不仅仅是制造一个机器人,我们真的很想了解生物能够遨游水下的科学原理。我们的目标是建立一些理论依据,同时我们可以根据是什么使生物游泳者如此快速和高效来测试假设。”

这个团队首先需要研究高性能游泳运动员的生物力学,哈佛生物学教授乔治劳德和他的研究团队测量了黄鳍金枪鱼和鲭鱼的游泳动力学。利用这些数据,巴特·史密斯和她的团队、研究科学家朱建中(音译)和博士生卡尔·怀特(音译)建造了一个机器人,它不仅像鱼一样在水下移动,而且能以足够快的速度拍打尾巴,达到几乎相等的速度。

然后他们将他们命名为“tunabot”的机器人与活体标本进行了比较。


这是一只模仿黄鳍金枪鱼制造的仿生机器鱼,它没有眼睛、没有鳍,也远没有金枪鱼本尊那么大。不过,这条机器鱼摆动身体的频率和前进速度都达到了与真鱼接近的水平,它的游动频率可达15Hz,每秒可前进4倍身长(大约相当于1米/秒)。

这项研究由弗吉尼亚大学工程学院的机械工程师与哈佛大学的生物学家合作完成。和此前的仿生机器鱼相比,这只机器金枪鱼能够更高频快速地游动,它的动作也与真鱼更加相符。机器鱼的潜在用途包括海洋环境探测、水下设施检查等等,同时它也能帮助人们更好地了解生物游泳动作背后的物理学。

该设备是根据黄鳍金枪鱼和相关的大西洋鲭鱼而专门设计的,是由弗吉尼亚大学和哈佛大学的机械工程师合作开发的。与真实的金枪鱼(一般大的可达2米)相比,机器金枪鱼明显缩小了,其体长大约为25.5厘米。


当将Tunabot拴在两所大学的水箱中时,基于激光的流体运动分析表明,它能够以与相同大小的真实黄鳍金枪鱼相当的速度游泳,大约为1米/秒。

此外,它通过以类似于活金枪鱼的方式快速弯曲其柔性“身体”来做到这一点。水箱测试表明,如果配备10瓦时电池组,则机器人可以以0.4米 /秒的速度游泳约9公里。如果速度提高到1米/秒,其将能游4公里左右。


生物学和机器人学之间的关系是循环的

Tunabot项目是Bart Smith在海军研究办公室提出的第二个具有高度竞争力的多学科大学研究计划的成果;2008年,Bart Smith获得650万美元的奖金,用于开发一个以螳螂射线为模型的水下机器人。


tunabot的测试在uva工程公司的机械和航空航天工程大楼的一个大型实验室进行,在一个大约占房间四分之一的水槽中进行,在哈佛大学的一个类似的设施中进行。

劳德说,生物学和机器人学之间的关系是循环的。”我认为我们在这一领域有一个成功的研究计划的一个原因是生物学家和机器人学家之间的巨大互动。一个分支中的每一个发现都会通知另一个分支,这是一种不断推进科学和工程的教育反馈环。“


巴特·史密斯说:“我们不认为生物学已经进化到了解决方案。”这些鱼已经有很长一段时间进化成一种解决方案,使它们能够生存,特别是吃,繁殖和不被吃。不受这些要求的限制,我们可以只关注促进更高性能、更高速度和更高效率的机制和特性。我们的终目标是超越生物学。但我们怎么能建造一个看起来像生物学的东西,却游得比你在海洋中看到的任何东西都快呢?这就需要不断地实验和思考了。”


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