水生生物借助流體特性（例如：浮力，升力，拖拽力）在水下快速移動(dòng)，受到這點(diǎn)啟發(fā)，加州理工(University of California)的研究者提出了一種新型的仿生軟體水下行走機(jī)器人。通過監(jiān)測水流方向，該機(jī)器人改變身體形狀來借助水流的流體特性產(chǎn)生比較大的拖拽力，極大的提升它在水底行走的運(yùn)動(dòng)性能。

作者：Riddick

身體可變形的軟體水下機(jī)器人

水下機(jī)器人可以被用于水下環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測和探測，以及水下生物的觀察等。傳統(tǒng)的水下機(jī)器人采用螺旋槳或者噴射的驅(qū)動(dòng)方式，它們?cè)陂_放水域有著很高的應(yīng)用價(jià)值。但是相對(duì)于水下生物而言，這些機(jī)器人體積龐大并且伴有噪音，在小的空間內(nèi)也很難前行。相較而言，利用仿生學(xué)設(shè)計(jì)的水下機(jī)器人（例如軟體水下機(jī)器人）可以產(chǎn)生比較小的噪音，以及適應(yīng)不同的水下環(huán)境。

水生生物（章魚，管族類生物）等借助流體特性（例如：浮力，升力，拖拽力）在水下快速移動(dòng)，受到這點(diǎn)啟發(fā)，來自于加州理工(University of California)的研究者提出了一種新型的仿生軟體水下行走機(jī)器人。該機(jī)器人可以通過監(jiān)測水流方向，可以通過改變身體形狀來借助水流的流體特性產(chǎn)生比較大的拖拽力，或者減小水流帶來的阻力，從而極大的提升它在水底行走的運(yùn)動(dòng)性能，真正做到隨波逐流。

具體來說，當(dāng)該水下機(jī)器人（水下重量為2.87N）需要在水流中保持靜止，不對(duì)稱膨脹的主體可以將水流作用域身體上的阻滯力降低40％（從0.52 N到0.31 N）當(dāng)機(jī)器人要順著水流行走時(shí)，充氣的身體比平整的身體快16%。

機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

這款機(jī)器人基于氣動(dòng)/液壓軟體驅(qū)動(dòng)器技術(shù)。如下圖展示了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?？尚巫兩眢w和4條腿安裝于一個(gè)剛性的支架上。腿部由3d打印的彈性材料制成,每條腿有三個(gè)腔體，從而控制向不同的方向彎曲。機(jī)器人的身體變形部分是由兩個(gè)充氣小袋組成的。機(jī)器人的腿部連接到傳統(tǒng)氣泵，由電磁閥控制，機(jī)器人的身體連接到注射泵。

機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

當(dāng)我們對(duì)機(jī)器人的可變形身體的氣袋進(jìn)行充氣/放氣時(shí)，機(jī)器人的身體有三種狀態(tài)，對(duì)稱膨脹的身體，單側(cè)膨脹的身體，以及平整的身體。根據(jù)流體力學(xué)的基本知識(shí)，在水中運(yùn)動(dòng)的物體受到的水流的拖拽力/阻力，與物體本身的形狀直接相關(guān)，所以機(jī)器人正是通過調(diào)整身體的形狀，來實(shí)現(xiàn)利用水流前進(jìn)的目的。

不同的身體形狀帶來的拖拽力效果

研究者設(shè)計(jì)了一個(gè)簡易水槽，然后向機(jī)器人方向產(chǎn)生水流，并且用兩個(gè)測速儀分別監(jiān)測機(jī)器人前方/后方的水流速度，同時(shí)監(jiān)測機(jī)器人自身的運(yùn)動(dòng)速度，以此來驗(yàn)證他們的設(shè)計(jì)有效性。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備

水流經(jīng)過非對(duì)稱膨脹身體的圖像

在靜水中機(jī)器人的行走速度為15mm/s，并且由于行走速度過慢，不同身體形狀對(duì)于水的阻力的影響不明顯。當(dāng)機(jī)器人順著水流的方向行走時(shí)，身體的變形對(duì)于行走速度的影響變得十分顯著，機(jī)器人在平整狀態(tài)下行走速度最慢，在對(duì)稱膨脹的狀態(tài)下有著最大的拖拽力以及最快的速度，在非對(duì)稱膨脹狀態(tài)下有著一個(gè)中等的速度。

機(jī)器人面對(duì)水流調(diào)整身體

順著水流，機(jī)器人在身體平整狀態(tài)下可以行走

小結(jié)

研究者通過初步試驗(yàn)證實(shí)了他們的想法是切實(shí)有效的，雖然機(jī)器人的結(jié)構(gòu)還比較簡單，處于一個(gè)概念的階段，但是可以看得到它有很高的潛在應(yīng)用價(jià)值，包括可以幫助水下機(jī)器人在水流中保持穩(wěn)定，或者協(xié)助行走，這種概念也可以移駕到別的水下機(jī)器人系統(tǒng)上，通過軟體驅(qū)動(dòng)器來形成一些連續(xù)的曲面和水流發(fā)生交互。在未來的研究中，研究者計(jì)劃更加準(zhǔn)確的建模，以及加入更多的反饋控制，來制造更可靠的水下機(jī)器人系統(tǒng)。

通過改變機(jī)器人的身體形狀來適應(yīng)水流，或者利用水流，這個(gè)想法真的是新奇而又有效。研究者們通過觀察生物對(duì)于環(huán)境的適應(yīng)能力，結(jié)合專業(yè)知識(shí)，為各種機(jī)器人提供多種設(shè)計(jì)方案。小編認(rèn)為這個(gè)研究正是很巧妙的結(jié)合了仿生學(xué)與實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)例子。希望這篇報(bào)道能夠激發(fā)同樣對(duì)生活中各種事物充滿好奇心的你！