仿生界黑科技: 可以軍事監(jiān)視、水下救援的水母機(jī)器人
發(fā)布時間 : 2020-04-23
仿生機(jī)器人近年來不斷取得新的突破和進(jìn)展,前有費(fèi)斯托“仿生蜻蜓”驚艷眾人,后有各類型仿生水下機(jī)器人層出不窮。大多數(shù)仿生水下機(jī)器人都是通過模擬金槍魚、鯉魚等魚類的游動原理制成。但這類仿生機(jī)器人很少能夠進(jìn)行垂直方向上的游動。
近年來,水母憑借其高效、靈活的噴射式推進(jìn)方式,逐漸成為了仿生學(xué)家爭相模仿的對象。日前,德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校的研究人員約納斯·塔德塞(Yonas Tadesse)等人,研發(fā)了一種可快速垂直游動,且有一定載荷的仿生水母軟體機(jī)器人。
該仿生水母軟體機(jī)器人的運(yùn)動機(jī)制,是通過向下噴射流體產(chǎn)生反作用力,推動其在水環(huán)境中進(jìn)行垂直方向上的運(yùn)動。
仿生水母軟體機(jī)器人
研究人員為該機(jī)器人配備了八個呈放射狀排列的最新型充氣式柔性氣動復(fù)合執(zhí)行器,并由一臺空氣壓縮機(jī)提供動力。該復(fù)合執(zhí)行器由一個單腔室和外層的薄彈簧鋼片組成。腔室的主要材料為有機(jī)硅膠樹脂。外層的彈簧鋼是一種不可拉伸材料,但具有良好的回彈效果。當(dāng)一個力作用在該鋼片的一端并突然釋放時,鋼片能迅速縮回至原來的位置。
充氣式柔性氣動復(fù)合執(zhí)行器。圖片來源:德克薩斯大學(xué)
研究人員將復(fù)合執(zhí)行器設(shè)計(jì)成側(cè)面厚、頂部薄的樣式,使空氣最大程度地進(jìn)入腔室。通過壓縮機(jī)注入空氣,執(zhí)行器可以快速地膨脹并彎曲,產(chǎn)生較大的瞬時推力,實(shí)現(xiàn)垂直方向上的快速運(yùn)動。經(jīng)測試,直徑220毫米的仿生水母軟體機(jī)器人,在魚缸中能夠承受100克的載荷,并以16厘米/秒的速度垂直游動。
約納斯稱,與以前的仿生水母機(jī)器人相比,這款機(jī)器人的垂直上升速度是最快的。
該機(jī)器人除了可用于軍事監(jiān)視外,未來還可用于水下快速救援、海底探測、資源勘探、水下地形勘測等方面。相比于傳統(tǒng)剛性機(jī)器人,軟體機(jī)器人一般采用可變性較大的柔性材料制成,可以實(shí)現(xiàn)大尺度連續(xù)變形,并任意改變自身的尺寸和形狀。因此,軟體機(jī)器人也被業(yè)內(nèi)視為機(jī)器人技術(shù)的未來。
此前,科學(xué)家們已從水母身上獲得過許多靈感。
據(jù)環(huán)球網(wǎng)消息,去年7月,英國《自然通訊》(Natural communication)雜志發(fā)表了一項(xiàng)最新研究,德國馬克斯·普朗克(Max Planck)智能系統(tǒng)研究所的梅廷·斯蒂(Metin Sitti)及其同事,發(fā)明了一種以缽水母碟狀幼體為靈感的軟體機(jī)器人。
以缽水母碟狀幼體為靈感的軟體機(jī)器人。圖片來源:《自然通訊》
該軟體機(jī)器人全長6毫米,擁有8根腕足,尖端由非磁性聚合物制成,全身被埋入磁性微粒。研究人員將該機(jī)器人放在水缸內(nèi),并在水缸外部圍上電磁線圈。只要操縱磁場,就可無線控制它的腕足收縮再恢復(fù),就像游泳的水母一樣。這一無纜軟體機(jī)器人個頭較小,但其具備運(yùn)輸、鉆挖等功能。
據(jù)高級新聞科學(xué)網(wǎng)(Advanced Science News)報(bào)道,今年1月,加州理工學(xué)院和斯坦福大學(xué)的研究人員也發(fā)明了一種微型電子半機(jī)器人水母。
該研究小組負(fù)責(zé)人斯坦福大學(xué)教授約翰·達(dá)比里(John Dabiri )表示,現(xiàn)在大量的研究已轉(zhuǎn)向開發(fā)模擬生物的仿生機(jī)器人,但給生物體本身配備電子元件,也是仿生機(jī)器人研究的一條新途徑。
微型電子半機(jī)器人水母。圖片來源:斯坦福大學(xué)
斯坦福大學(xué)的研究人員為水母配備了一個微電子控制器,可以發(fā)出電脈沖,就像安裝了一個心臟起搏器。經(jīng)測試,配備了微電子控制器的水母,脈沖頻率是普通水母的三倍。這使得水母的游泳速度從原來的2厘米/秒提高到4-6厘米/秒。
斯坦福大學(xué)研究人員稱,該研究尚處于初級階段,希望未來能研究出一種足夠小的電子裝置,嵌入水母組織中。除了能控制其游泳速度外,還能操控其運(yùn)動方向,從而應(yīng)用于海洋探索。