像金枪鱼一样动态调节尾巴弹性:仿生机器人新发现,「机器金枪鱼」登上Science子刊( 二 )


基于真实金枪鱼结构和简化数学建模设计机器金枪鱼 。
结合流体力学与机器人学 , 来看看游动的鱼尾如何变「硬」
在这个研究中 , 我们结合机器人学和流体力学 , 同步从流体力学建模和实验两个方向入手来全面探索动态弹性调节对于游动性能的影响 。通过结合鱼体的动力学模型和非定常空气动力学模型(Theodorsen Model), 我们能够用数学模型对动态弹性调节和鱼体游动性能做出预测 。除此之外 , 我们还开发了一套智能化的信息物理实验系统 , 并在我们设计的机器金枪鱼上开展了大量实验 。
像金枪鱼一样动态调节尾巴弹性:仿生机器人新发现,「机器金枪鱼」登上Science子刊
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流体力学实验和数学模型预测高度吻合 , 由此得出尾巴弹性应根据游速平方比例调节以实现最高游动性能 。
我们发现 , 在变速游动过程中 , 尾巴的弹性系数应随着游动速度平方比例增长 , 从而通过这种简单的调节来实现最高推进效率 。为了进一步验证动态弹性调节在真实环境中的有效性 , 我们利用信息物理实验系统去模拟了长续航机动游动任务 , 在与金枪鱼相似的游动参数范围内(摆动频率:0 到 6 赫兹 , 游动速度:0 到 2 体长每秒) , 动态弹性调节最多能实现接近 100% 推进效率提升 。
动态弹性调节应用前景广阔
我们提出的动态弹性调节方法解决了困扰研究人员多年的柔性仿生机器鱼的性能瓶颈 , 为未来设计高频率、高速的大型仿生水下潜航系统提供了理论基础 。该研究结果不仅适用于当前的机器金枪鱼平台 , 更能拓展至很多其他的仿生推进应用场景 。基于我们的模型预测 , 动态弹性调节尤其适合于大尺寸、高速、高频率的仿生潜航器 。该项研究为未来的高性能仿生推进系统开发提供了新的解决方案 , 有望大幅度提高仿生柔性机器系统的推进性能和应用能力 , 让柔性智能设备从单一的实验环境走向实际海洋作业等复杂场景 。
来源:36氪