前言
“蝴蝶機(jī)器人”是迄今為止最快的游泳軟機(jī)器人
北卡羅來納州立大學(xué)的研究人員涉足游泳機(jī)器人，開發(fā)了一種受蝴蝶劃水和蝠鲼啟發(fā)的設(shè)備。
在機(jī)器人日益普及的時代，北卡羅來納州立大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種“蝴蝶機(jī)器人”，允許下一代機(jī)器人在水中操作。盡管它的名字，蝴蝶機(jī)器人不是一個空中的自動機(jī)，而是一個模仿蝠鲼游泳模式的高效游泳機(jī)器人。
蝴蝶機(jī)器人的系統(tǒng)級圖突出顯示了機(jī)器人的主要組件。柔軟的機(jī)身包含一個執(zhí)行器，由于機(jī)翼和鰭，可以有效地推動機(jī)器人。圖片由北卡羅來納州立大學(xué)提供
以蝴蝶劃水命名的蝴蝶機(jī)器人的最高速度是以前的游泳機(jī)器人的四倍，同時使用相對簡單的設(shè)計。北卡羅來納州小組開發(fā)了兩個原型，每個原型都有自己的優(yōu)勢。本文將更深入地了解蝴蝶機(jī)器人背后的技術(shù)。
像蝴蝶一樣漂浮
由Jie Yin博士領(lǐng)導(dǎo)的北卡羅來納州立大學(xué)研究小組從蝠鲼（一種小而快速的海洋生物）中汲取靈感，注意到自然界中經(jīng)�？吹降母咝�“拍打”運(yùn)動在生物啟發(fā)設(shè)計中并不那么有效。雖然海洋動物通�？梢赃_(dá)到每秒超過一個體長（BL / s）的速度，但以前的設(shè)計無法超越這一里程碑。此外，它們的效率較低，使其使用不切實(shí)際。
考慮到奧卡姆剃刀，北卡羅來納州小組開發(fā)了一種優(yōu)雅的游泳機(jī)器人，它利用蝠鲼的“拍打”運(yùn)動。Butterfly Bot 不依賴于分布式復(fù)雜的電氣或液壓系統(tǒng)，而是依靠雙穩(wěn)態(tài)柔性機(jī)翼來產(chǎn)生向前運(yùn)動。雙穩(wěn)態(tài)翅膀，很像發(fā)夾，有兩種穩(wěn)定狀態(tài)。通過添加足夠的外部刺激，可以“切換”狀態(tài)，這通常伴隨著存儲能量的快速釋放。
軟體彎曲角度與翅膀旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系證明了蝶形機(jī)器人中使用的雙穩(wěn)態(tài)原理。一旦達(dá)到臨界角，機(jī)翼就會進(jìn)入新的穩(wěn)定狀態(tài)。圖片由北卡羅來納州立大學(xué)提供
雙穩(wěn)態(tài)機(jī)翼在系統(tǒng)復(fù)雜性和原始性能方面為蝴蝶機(jī)器人提供了幾個優(yōu)勢。關(guān)于系統(tǒng)復(fù)雜性，機(jī)翼可以很容易地組裝，每個機(jī)翼只需要一個膠合接頭。驅(qū)動機(jī)翼是微不足道的，需要一個可以同時控制多個機(jī)翼位置的中央驅(qū)動單元（盡管不是獨(dú)立的）。在第一個蝴蝶機(jī)器人中，翅膀經(jīng)歷了6.6米/秒的峰值速度和1.49 x 103米/秒的峰值加速度。
像蝠鲼一樣游泳
為了進(jìn)一步模仿蝠鲼的運(yùn)動，在機(jī)翼的背面增加了一個靈活的鰭，以允許“襟翼”沿著鰭的長度向下延伸，產(chǎn)生向前運(yùn)動，并允許蝴蝶機(jī)器人不僅游泳而且可以有效地游泳。
為了評估蝴蝶機(jī)器人的有效性，使用了兩個主要指標(biāo)：最高速度和Strouhal數(shù)。最高速度通常以BL / s為單位測量，因為較大的物體自然會表現(xiàn)出更大的峰值速度，而Strouhal數(shù)是代表功率效率的無量綱度量。自然界中的Strouhal數(shù)通常在0.2到0.4之間，使這個范圍成為研究的目標(biāo)。
頻率-速度/效率關(guān)系表明，在~0.67 Hz下可實(shí)現(xiàn)最大效率，但通過增加驅(qū)動頻率可以觀察到速度增加。圖片由北卡羅來納州立大學(xué)提供
對于第一個蝴蝶機(jī)器人，研究人員觀察到最高速度為3.74 BL / s，驅(qū)動壓力為55 kPa，驅(qū)動頻率為1 Hz。值得注意的是，不同的驅(qū)動頻率自然會產(chǎn)生不同的速度和能源效率（就像我們在沖刺時達(dá)到更高的速度，但消耗能量的速度要快得多）。峰值效率出現(xiàn)在0.67 Hz的驅(qū)動頻率下，相關(guān)速度為3.4 BL/s。
到目前為止，研究人員只使用一個執(zhí)行器來控制兩個機(jī)翼。這創(chuàng)造了最簡單的系統(tǒng)架構(gòu)，同時將運(yùn)動限制在一條線上。然而，北卡羅來納州小組希望使蝴蝶機(jī)器人能夠轉(zhuǎn)向。因此，研究人員組裝了第二個機(jī)器人，這次有兩個執(zhí)行器，以獨(dú)立控制機(jī)翼。通過拍打單個機(jī)翼，機(jī)器人可以轉(zhuǎn)彎，同時拍打允許機(jī)器人以增強(qiáng)的機(jī)動性向前移動。
蝴蝶劃水狀雙穩(wěn)態(tài)撲翼軟泳機(jī)器人。
海洋：機(jī)器人的最后前沿
以真正的科學(xué)方式，北卡羅來納州小組意識到，盡管蝴蝶機(jī)器人取得了令人印象深刻的成就，但仍有更多工作要做，以改善他們的水生創(chuàng)造。速度的主要限制因素之一是執(zhí)行器的帶寬。在當(dāng)前狀態(tài)下，執(zhí)行器被限制在大約1 Hz，而機(jī)翼的固有頻率約為13.5 Hz。如果機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)更高的速度，開發(fā)人員必須增加“抖動”頻率以提供最大的提升。此外，研究人員還確定了系留空氣供應(yīng)和未優(yōu)化的機(jī)翼形狀，以改進(jìn)未來的設(shè)計。
盡管目前存在這些設(shè)計挑戰(zhàn)，但蝴蝶機(jī)器人已經(jīng)引入了在水生環(huán)境中增加機(jī)器人存在的可能性。隨著自動駕駛汽車、包裹遞送無人機(jī)和無人衛(wèi)星的出現(xiàn)，海洋似乎已經(jīng)成為機(jī)器人技術(shù)的最后前沿。
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文章來源：中國機(jī)器人網(wǎng)
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