仿生魔鬼鱼机器人:涉江河湖海,跨风沙雨雪

2022-11-08

 

        为何生命都来自海洋?海洋是生命的起源,根据统计,包括人类在内,地球上的有颌脊椎动物至少有99.8%,这就意味着所有的动物的祖先都是从鱼类演变过来的;但海洋不仅仅蕴藏着大自然的奥秘,同时也埋藏着历史的神秘,在茫茫海洋之下,埋藏着很多古代的人类文明,其中一部分是文明古国的遗迹,由于地壳变迁等原因,沉入海底;随着机器人技术的不断发展,人们对于海洋探索的需求也日益增加,然而我们却对海洋生物的了解,还知之甚少;如果采用传统的水下无人航行器对海洋生物进行研究,不仅会惊扰到水下生物,无法观察到海洋生物最真实的水下状态,而且传统的水下无人航行器,能耗较大且能源有限,很难实现长时间水下作业,因此水下仿生机器人成为了工业设计师们关注的焦点。

 

 

 

        在浩瀚无边的海洋世界里,有一种鱼拥有巨大的“羽翼”,它就像自带光环的礼服侠,它就是蝠鲼,也被称为“魔鬼鱼”,“魔鬼鱼”是一种庞大的热带鱼类,学名叫前口蝠鲼,身体扁平,有强大的胸鳍,类似翅膀,胸鳍前有两个薄、窄、似耳朵的突起,“魔鬼鱼”作为自然界最高效的游泳者之一,几乎能毫不费力地在水中滑翔,甚至在湍急水流中也能敏捷地来回游动,这种游泳运动方式也为水下仿生机器人的设计与发展提供了巨大的支持;对此,Pliant Energy Systems设计并研发了一款无腿两栖机器人,名叫Velox,Velox机器人摒弃了靠螺旋桨提供动力的常规方式,依据仿生学原理,转而采用了一种能够驱动机器人前进的柔性鳍状物,同时机载CPU则负责将能源分配给驱动该鳍状物做波浪运动的执行器,这使得Velox在水下的运动看起来非常像“魔鬼鱼”。

 

        

 

        实际上,Velox机器人的独特功能源于对可再生能源的研究,利用波浪和潮汐能,工业设计师设计了既能捕捉能量,又能推动车辆通过海洋环境的仿生机器人,同时仿生机器人Velox还采用了Pliant Energy Systems研发的创新波浪推进系统,Velox仅仅凭借一对“鳍”就能实现动物世界的几种运动模式,Velox能像千足虫一样在路面爬行,像蛇一样在雪地上滑行,像鱿鱼一样喷射,像“魔鬼鱼”一样游泳,各种环境灵活驾驭,那魔性的摆动、灵动的步伐、鬼畜般的行走;当Velox接近陆地时,这个水陆两栖的机器人能将“鳍”状物旋转90度以此来支撑地面的运动,Velox除了可以在水里和一般路面上自由行动外,Velox还能在沙滩、鹅卵石、雪地甚至冰面上轻松游走。

 

 

 

        除此之外,仿生机器人Velox的“鳍”使用了特殊材料,工业设计师的设计初衷是将Velox的“鳍”构建成一个能量生成系统,例如Velox悬停在某一水域中利用水流为机器人充电,因此,Velox的“鳍”有一个很大的表面积,Velox的“鳍提供了一个巨大的、相对运动缓慢的水流接触面,能更高效地收集能量;另外仿生机器人Velox可以应用在很多不同的场景中,例如Velox可被用作高度机动的自主水下航行器或遥控航行器,Velox可以轻松地执行两栖海滩和极地冰雪区任务,同时为军队在两栖任务中运送弹药和医疗补给;而且Velox还可以作为水上和冰上救援机器人,例如将绳索和救生圈拖曳给遇困的受难者,更可以观察并保护珍稀动物,比如北极熊等;当遇到满是海藻或者藤蔓的水域时,Velox还具备了高度的抗植物或其它水下物体缠绕的能力,所以Velox能替代传统的螺旋桨船,同时还不会对植物和环境进行干扰破坏。

 

 

 

        最后,仿生学是重要的机器人研究方法之一,通过模仿自然生物的结构和行为来提高机器人的运动学性能;可能有些人对仿生机器人的认识可能还局限于美国波士顿动力公司Boston Dynamics发布的SpotMini、Atlas等产品;作为四足机器人和人形机器人的代表,它们可以走路、跑步、越障,运动起来颇为灵活自如,但这些成果并不是研究的终点,除了运动仿生之外,仿生机器人学还要研究材料仿生、控制仿生以及集群仿生等;如今,现有仿生机器人的功能特性仍然与被模仿的生物存在很大差距,究其原因,仿生机器人的研究还存在对生物机理揭示不深,仿生结构、仿生材料、仿生控制、仿生能量等方面都与生物相应特性差距较大等问题,这都限制了仿生机器人的发展;在未来的发展中,应利用多学科优势并从生物性能出发,使得仿生机器人向着结构与生物材料一体化的类生命系统发展,从而在生产生活中发挥重要的作用。

 

 

 

 


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