迄今为止最快的游泳机器人！可像人类一样蝶泳，登上《Science Advances》期刊

在水里浮浮沉沉游来游去的，除了鲜活的海产品，还有可能是个机器人。

虽说是机器人，但人家确实是受到海洋生物的游泳姿态“点化”而来的。

前不久，来自北卡罗来纳州立大学的研发团队开发了一种节能的软体机器人，它的游泳速度比之前的游泳软体机器人快四倍以上。

这款机器人被称为“蝴蝶机器人”，之所以叫这个名字，是因为它们的游泳动作像极了人在进行蝶泳时手臂的运动方式。

该项研究以论文“Snapping for high-speed and high-efficient, butterfly swimming-like soft flapping-wing robot”为题于近日发表于《Science Advances》期刊上。

论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add3788

▍“双稳态”的软体机器人

研发团队开发了两种不同类型的蝴蝶机器人。一个专为速度而打造，能够达到每秒 3.74 个身体长度的平均速度。另一个被设计成高度机动的，能够向右或向左急转弯。这种机动原型能够达到每秒 1.7 个身体长度的速度。

蝴蝶机器人的游泳能力来自它们的翅膀，它们是“双稳态”的，这意味着翅膀有两个稳定状态。

它们的机翼类似于按扣发夹。在施加一定的能量（通过弯曲它）之前，发夹是稳定的。当能量达到临界点时，发夹会折断成不同的形状，但也是稳定的。

研究人员们发现翅膀扇动的轨迹类似于数字8，这与蜂鸟和黄蜂翅膀的轨迹非常类似。

为了实现这种复杂轨迹，往往需要很多复杂的连接结构来组成传动系统。然而软体机器人却可以通过很简单的设计达到这种效果。

蝶泳机器人驱动器设计

这个机器人通过驱动来上下弯曲身体，从而带动两翼的突跳（snapping）快速上下摆动与旋转，通过驱动器的充放气使得翅膀在往上和往下弯曲的状态来回切换。

整个切换的过程通过突跳实现，突跳可以把积累的能量迅速释放，使得软体机器人瞬间加大游速。

与此同时，输入整个系统的能量反而降低，因此使得软体机器人同时具备快速和高效两种优势。

如图，每一次翅膀的拍打，都会使得能量迅速释放，从而使得软体机器人获得巨大的推力。

随着游动，软体机器人的整个身体还会呈现波状起伏，像极了人类在蝶泳时由头部到躯干的波状起伏。不同的是，这种软体机器人不论是向下扇动还是向上扇动翅膀，都能获得巨大的推力。

蝶泳软机器人性能与姿态

▍成长进化——速度更快，定向转向！

在接下来的实验中，团队进一步比较了高速双稳态软扑翼游泳者、快速游泳软体机器人和海洋中的生物。

如图中所示，这种软体机器人比其他软体机器人具有更高的游速却有更小的质量，甚至和其他的海洋生物相比也是毫不逊色。

不过，尽管展示的高性能软扑翼游泳者在高速和高效率方面可与生物对手相媲美，但它只能实现单向向前游泳。

为了解决这一局限性，研发团队们进一步开发了更快的蝴蝶机器人——一种能够定向转向的机动扑翼游泳机器人。

如图所示。可操纵的游泳者由一个多稳态软扑动执行器构成，两个软气动弯曲执行器在中间并联连接作为软体，带有包裹薄膜和延伸柔性鳍的两个双稳态机翼既可以在单一驱动下独立拍动以进行转弯运动，也可以在双重驱动下同时拍动以进行前进运动，从而提高机动性。

“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机翼提供动力，”团队的研究人员表示。“我们的方法使用通过移动中央主体被动驱动的双稳态机翼。这是一个重要的区别，因为它允许简化设计，从而减轻重量。”

虽然目前这项工作是一个令人兴奋的概念证明，但它仍然有一定的局限性，比如目前的原型是由细长的管道系在一起的，这是实验中用来将空气泵入中央机构的东西。目前团队正在努力开发一种不受束缚的自主版本。

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排版 | 麦子

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