在水裡浮浮沉沉游來游去的，除了鮮活的海產品，還有可能是個機器人。

雖說是機器人，但人家確實是受到

海洋生物的游泳姿態

“點化”而來的。

前不久，來自

北卡羅來納州立大學的研發團隊

開發了一種

節能的軟體機器人，

它的游泳速度比之前的游泳軟體機器人

快四倍以上。

這款機器人被稱為

“蝴蝶機器人”

，之所以叫這個名字，是因為它們的游泳動作

像極了人在進行蝶泳時手臂的運動方式。

該項研究以論文“Snapping for high-speed and high-efficient， butterfly swimming-like soft flapping-wing robot”為題於近日發表於

《Science Advances》

期刊上。

論文地址：

https：//www。science。org/doi/10。1126/sciadv。add3788

“雙穩態”的軟體機器人

研發團隊開發了

兩種不同型別的蝴蝶機器人。

一個

專為速度而打造，

能夠達到每秒

3。74

個身體長度的平均速度。另一個被設計成

高度機動

的，能夠

向右或向左急轉彎。

這種機動原型能夠達到每秒

1。7

個身體長度的速度。

蝴蝶機器人的游泳能力來自它們的翅膀，它們是“雙穩態”的，

這意味著翅膀有兩個穩定狀態。

它們的機翼類似於按扣髮夾。在施加一定的能量（透過彎曲它）之前，髮夾是穩定的。當能量達到臨界點時，髮夾會折斷成不同的形狀，但也是穩定的。

研究人員們發現翅膀扇動的軌跡類似於數字8，這與蜂鳥和黃蜂翅膀的軌跡非常類似。

為了實現這種複雜軌跡，往往需要很多複雜的連線結構來組成傳動系統。然而軟體機器人卻可以透過很簡單的設計達到這種效果。

蝶泳機器人驅動器設計

這個機器人

透過驅動來上下彎曲身體，

從而

帶動兩翼的突跳（snapping）快速上下襬動與旋轉，透過驅動器的充放氣使得翅膀在往上和往下彎曲的狀態來回切換。

整個切換的過程透過突跳實現，突跳可以把積累的能量迅速釋放，使得軟體機器人瞬間加大遊速。

與此同時，輸入整個系統的能量反而降低，因此使得軟體機器人

同時具備快速和高效兩種優勢。

如圖，每一次翅膀的拍打，都會使得能量迅速釋放，從而使得軟體機器人獲得巨大的推力。

隨著遊動，軟體機器人的整個身體還會呈現波狀起伏，像極了人類在蝶泳時由頭部到軀幹的波狀起伏。不同的是，這種軟體機器人不論是向下扇動還是向上扇動翅膀，都能獲得巨大的推力。

蝶泳軟機器人效能與姿態

成長進化——速度更快，定向轉向！

在接下來的實驗中，團隊進一步比較了高速雙穩態軟撲翼游泳者、快速游泳軟體機器人和海洋中的生物。

如圖中所示，這種軟體機器人比其他軟體機器人

具有更高的遊速卻有更小的質量，甚至和其他的海洋生物相比也是毫不遜色。

不過，儘管展示的高效能軟撲翼游泳者在高速和高效率方面可與生物對手相媲美，但它只能實現單向向前游泳。

為了解決這一侷限性，研發團隊們進一步開發了

更快的蝴蝶機器人——一種能夠定向轉向的機動撲翼游泳機器人。

如圖所示。可操縱的游泳者由一個

多穩態軟撲動執行器構成，兩個軟氣動彎曲執行器在中間並聯連線作為軟體，帶有包裹薄膜和延伸柔性鰭的兩個雙穩態機翼既可以在單一驅動下獨立拍動以進行轉彎運動，也可以在雙重驅動下同時拍動以進行前進運動，從而提高機動性。

“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為機翼提供動力，”團隊的研究人員表示。“我們的方法使用透過移動中央主體被動驅動的雙穩態機翼。這是一個重要的區別，因為它允許簡化設計，從而減輕重量。”

雖然目前這項工作是一個令人興奮的概念證明，但它仍然有一定的侷限性，比如目前的原型是由細長的管道系在一起的，這是實驗中用來將空氣泵入中央機構的東西。目前團隊正在努力開發一種不受束縛的自主版本。

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