蝴蝶机器人是迄今为止游泳速度最快的软体机器人

受蝠鲼生物力学的启发，北卡罗来纳州立大学的研究人员开发出一种节能软体机器人，它的游泳速度比以前的游泳软体机器人快四倍多。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在蝶泳时手臂的移动方式。

“迄今为止，游泳软体机器人的游泳速度还不能超过每秒一个身体长度，但海洋动物——例如蝠鲼——能够游得更快、更有效，”论文的通讯作者JieYin说。北卡罗来纳州立大学机械和航空航天工程副教授的工作论文。“我们想利用这些动物的生物力学，看看我们是否可以开发出更快、更节能的软体机器人。我们开发的原型非常出色。”

研究人员开发了两种类型的蝴蝶机器人。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。第二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。

“研究空气动力学和生物力学的研究人员使用一种叫做斯特劳哈尔数的东西来评估飞行和游泳动物的能量效率，”该论文的第一作者、最近获得博士学位的YindingChi说。北卡罗来纳州立大学毕业。“当动物以0.2到0.4之间的斯特劳哈尔数游泳或飞行时，就会出现最高推进效率。我们的两个蝴蝶机器人的斯特劳哈尔数都在这个范围内。”

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。机翼类似于按扣发夹。在您施加一定的能量(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——也是稳定的。

在蝴蝶机器人中，受发夹启发的双稳态翅膀连接到柔软的硅胶主体上。用户通过将空气泵入软体内部的腔室来控制机翼两种稳定状态之间的切换。当这些腔室膨胀和放气时，身体会上下弯曲——迫使翅膀随之来回摆动。

“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，”尹说。“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。”

更快的蝴蝶机器人只有一个“驱动单元”——软体——它控制着它的两个翅膀。这使得它非常快，但很难向左或向右转。机动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”一个机翼，这使得它能够进行急转弯。

“这项工作是一个令人兴奋的概念证明，但它有局限性，”尹说。“最明显的是，目前的原型是由细长的管道系在一起的，这是我们用来将空气泵入中央机构的东西。我们目前正在努力开发一种不受束缚的自主版本。”

这篇名为“Snappingforhigh-speedandhigh-efficient,butterflystroke-likesoftswimmer”的论文将于11月18日发表在开放获取期刊《科学进展》(ScienceAdvances)上。该论文由博士生YaoyeHong共同撰写。北卡罗来纳州立大学的学生;以及北卡罗来纳州立大学的博士后研究员YaoZhao和YanbinLi。

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