研究人員從蝠鱝的生物力學中獲得靈感，開發了一種節能的軟體機器人，其游泳速度比以前的游泳軟體機器人快4倍以上。在北卡羅來納州立大學（NC State）開發的這種機器人被稱為”蝴蝶機器人”，因為它們的游泳動作類似於人蝶泳時手臂的運動方式。

“迄今為止，游泳軟體機器人的游泳速度還不能超過每秒一個身位，但是海洋動物–比如蝠鱝–能夠游得更快，而且效率更高，”關於這項工作的論文的通訊作者、北卡羅來納州立大學機械和航空航天工程系副教授Jie Yin說。”我們想藉鑑這些動物的生物力學，看看我們是否能開發出更快、更節能的軟體機器人。我們開發的原型工作得特別好。”

受蝠鱝生物力學的啟發，北卡羅來納州立大學的研究人員已經開發出一種節能的軟體機器人，其游泳速度比以前的游泳軟體機器人快四倍以上。這些機器人被稱為”蝴蝶機器人”，因為它們的游泳動作類似於人在進行蝶泳時手臂的運動方式。

研究人員開發了兩種類型的蝴蝶機器人。一種是專門為速度而設計的，能夠達到每秒3.74個身位的平均速度。第二種被設計成高度機動性，能夠向右或向左急轉。這個可操作的原型能夠達到每秒1.7個身位的速度。

“研究空氣動力學和生物力學的研究人員使用一種叫做斯特勞哈爾數（Strouhal）的概念來評估飛行和游泳動物的能量效率，”該論文的第一作者、北卡羅來納州立大學的新近博士畢業生Yinding Chi說。”當動物游泳或飛行時，Strouhal數在0.2和0.4之間，推進效率達到峰值。我們的兩個蝴蝶機器人的Strouhal數都在這個範圍內。”

蝴蝶機器人的游泳動力來自它們的翅膀，它們的翅膀是”雙穩態的”，這意味著翅膀有兩種穩定狀態。翅膀類似於一個扣式髮夾，髮夾在兩種狀態下都可以保持穩定的，在施加一定量的能量（通過彎曲它）之前和之後，當能量達到臨界點時，髮夾就會穩定地形成兩種不同的形狀。

在蝴蝶機器人中，受髮夾啟發的雙穩態翅膀被連接到一個柔軟的矽膠體上。用戶通過將空氣注入軟體內部的腔室來控制翅膀在兩種穩定狀態之間的切換。當這些腔室充氣和放氣時，機身就會上下彎曲–迫使機翼隨之來回擺動。

“以前開發撲翼機器人的大多數嘗試都集中在使用電機直接向雙翼提供動力。我們的方法使用雙穩態翼，通過移動中心體被動地驅動。這是一個重要的區別，因為它允許簡化設計，從而降低了重量”。研究人員表示。

更快的蝴蝶機器人只有一個”驅動單元”，這使得它雖然遊速非常快，但很難向左或向右轉彎。可操控的蝴蝶機器人本質上有兩個驅動單元，它們並排連接。這種設計允許用戶操縱兩邊的翅膀，或者只”扇動”一個翅膀，這就是使它能夠進行急轉彎的原因。

“這項工作是一個令人興奮的概念證明，但它有局限性，”研究人員稱，”最明顯的是，目前的原型被細長的管子拴住了，這是我們用來將空氣泵入中央機構的。我們目前正在努力開發一個無拴的、自主的版本。”

這篇題為”高速高效、類似蝶泳的軟體游泳器的系留”的論文將於11月18日發表在開放獲取的《科學進展》雜誌上。