网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

科学家开发单稳态结构软体机器鱼,以每秒6.8倍体长速度高速游动

0
分享至

近期,美国北卡州立大学与美国弗吉尼亚大学联合团队受魔鬼鱼通过胸鳍的震荡游动实现快速向前推进的启发,开发了一款兼具高效率、高速度和高机动性的仿生软体游泳机器鱼。

这款仿生软体机器鱼具有四个显著特点:

一是凭借单稳态扑翼结构,仅使用一个软体驱动器,极大地简化了驱动、设计和控制,且低频驱动即可实现高速游动;

二是采用单稳态结构,实现一次驱动能够实现两次快速弹跳运动;

三是通过控制软体气动驱动器的充气状态,来改变自身的浮力,在水中实现自由升降;

四是利用正弦波形的扑翼运动,产生了分叉的射流来提高推力。

基于这些特性,机器鱼不仅能在水面上游动,通过调节软体机器鱼的浮力,还能够根据需要在不同深度(水下或贴近水面的位置)游动,且具备灵活穿越水下障碍物和防碰撞的能力。

这种游泳软体机器鱼有望应用于深海探测,特别是在生物探测方面发挥重要作用。此外,该软体机器鱼的本体材料对环境友好,不会对海底生物造成较大干扰,有利于近距离观察野生海底生物、探测水流和进行环境监测等。

审稿人对该研究评价称,“这项工作提出了优雅而巧妙的设计和方法,可进一步推动气动执行、水下软机器人和敏捷机器的发展。”

日前,相关论文以《自发的弹跳诱导喷流实现快速、灵活的水面及水下软扑翼游泳机器鱼》(Spontaneous snapping-induced jet flows for fast, maneuverable surface and underwater soft flapping swimmer)为题发表在Science Advances上 [1]。

北卡州立大学博士生清海涛是第一作者,北卡州立大学尹杰教授担任通讯作者。论文作者还包括弗吉尼亚大学博士生郭嘉诚、弗吉尼亚大学朱远航博士(现为美国加州大学河滨分校助理教授)、北卡州立大学赤银鼎博士(现为美国宾夕法尼亚大学博士后)、北卡州立大学洪尧烨博士(现为宾夕法尼亚大学博士后)、弗吉尼亚大学丹尼尔·奎因(Daniel Quinn)副教授和董海波教授。

在此前的研究中,该课题组开发了一款利用双稳态结构驱动的蝶泳式游泳机器鱼,即低频双稳态震荡游动机器鱼。

然而,双稳态结构的缺点是:在两个稳态之间切换时,虽然具有迅速切换、快速弹跳的特性,但也要克服较大的能障,这意味着需要更多的能量输入。

清海涛表示:“我们在新研究中通过改变预存储能量的方式,将双稳态变为了单稳态。这种单稳态扑翼结构只需一次能量输入就能实现快速弹跳和弹回,巧妙地同时实现了高速游动和低能耗两个特性。这是双稳态与单稳态结构在驱动行为上的显著差异。”

此外,与之前的仿生游泳机器鱼相比,它的能耗比大幅降低。需要了解的是,能耗比是一个相对较低的数值,可展现出较高的能效表现。

在此基础上,研究人员适当提高了驱动频率,双稳态结构的最快频率为 1 赫兹,而单稳态结构的最快频率提高到了 1.67 赫兹,仍属于低频范围。

这使得单稳态设计的速度比双稳态设计提高了近 2 倍,双稳态机器人的速度为每秒 3.74 个体长,而现在的单稳态游泳机器人速度达到了每秒 6.8 个体长的高速游动。

相比之下,上一代双稳态机器鱼采用的是上下类似于三明治夹层结构的软体气动弯曲驱动器。由于其结构特点,无法通过改变总体重力来调控浮力。

“而该研究中的单稳态软体机器鱼,通过调节浮力突破了这一限制,从而能够在更广泛的水域范围内灵活游动。”清海涛说。

在这项研究中,研究人员让游泳机器鱼穿越水下障碍,并人为制造湍流干扰其游动过程,使其在遇到强干扰时沉到水底。他们想探究该机器鱼是否具备较强的抗碰撞、抗干扰以及穿越复杂障碍的能力,这也是软体机器人需要攻克的难点之一。

在实验阶段,该课题组反复调节参数,最终取得了良好效果。即使机器鱼沉到水底,通过调控浮力其也能重新浮上水面,并按预定轨迹游动。

他们参考了大量文献,发现其他机器人的局限性体现在:只能在贴近水面或水面游动,难以实现穿越水下障碍的功能。

清海涛指出,软体机器鱼的优势在于其抗碰撞和抗干扰能力。“穿越水下障碍物对软体机器鱼来说极具挑战性,我们是首个实现通过调节浮力在不同深度游动,并穿越水下障碍的软体游动机器鱼团队。”

在接下来的研究阶段,一方面,该课题组计划继续与弗吉尼亚大学流体团队合作,探索其他生物的流体现象,以优化仿生软体游泳机器人的结构设计,实现或超越自然界中生物的运动功能。

另一方面,研究人员打算将单稳态扑翼结构的尺寸做到米级别,希望能够真实地放入海洋环境中进行测试和探测。这些计划将进一步推动软体机器人技术的发展,并可能为深海探测等领域带来革命性的变化。

参考资料:

1.H. Qing, J. Guo, Y. Zhu, Y. Chi, Y. Hong, D. Quinn, H. Dong, J. Yin, Spontaneous snapping-induced jet flows for fast, maneuverable surface and underwater soft flapping swimmer,Science Advances10, 4222 (2024). https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq4222

排版:何晨龙、刘雅坤

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
南航旧案:男上司和女下属1000天开房410次,做丈夫都没这么勤快

南航旧案:男上司和女下属1000天开房410次,做丈夫都没这么勤快

四海神君
2026-09-21 07:00:22
与伊朗交手半年、耗掉380亿美元后,美国猛然醒悟:台海若真要开战,自己绝不能亲自下场,必须让盟友先去流血

与伊朗交手半年、耗掉380亿美元后,美国猛然醒悟:台海若真要开战,自己绝不能亲自下场,必须让盟友先去流血

谈史论今1
2026-10-01 19:18:15
多部门联合下发新规:持有电磁炮属于犯罪!中国电磁武器发展到这个地步了?

多部门联合下发新规:持有电磁炮属于犯罪!中国电磁武器发展到这个地步了?

军武次位面
2026-09-30 17:36:42
释新闻|劫机代码、战机出动、机长被刺,迪拜航空客机内发生了什么?

释新闻|劫机代码、战机出动、机长被刺,迪拜航空客机内发生了什么?

澎湃新闻
2026-09-30 19:52:27
维尔茨:最好每场比赛都有特别多的空间,让我做自己想做的事

维尔茨:最好每场比赛都有特别多的空间,让我做自己想做的事

懂球帝
2026-10-02 07:47:06
破案了!王楚钦林诗栋退出北京大满贯原因曝光没想到孙颖莎受影响

破案了!王楚钦林诗栋退出北京大满贯原因曝光没想到孙颖莎受影响

曹说体育
2026-10-01 09:04:59
于东来深夜发文:胖东来明年3月起全员双休!一周上5天、一天7小时!

于东来深夜发文:胖东来明年3月起全员双休!一周上5天、一天7小时!

闪电新闻
2026-10-01 13:46:38
牡丹花下死?管不住“下半身”的张本智和,终为自己的荒唐买了单

牡丹花下死?管不住“下半身”的张本智和,终为自己的荒唐买了单

妙知
2026-10-02 07:34:19
俄警告北约:若封锁加里宁格勒将动用核武

俄警告北约:若封锁加里宁格勒将动用核武

看看新闻Knews
2026-09-30 17:17:18
洋抖网红各种砸钱炫富,结果突然消失?原来她老爹是大毒枭,一家全进去了...

洋抖网红各种砸钱炫富,结果突然消失?原来她老爹是大毒枭,一家全进去了...

英国那些事儿
2026-10-01 01:38:56
联合国秘书长有句话,他曾挑明:打垮日本,中国才是决定性力量;日本被耗到油尽灯枯,最后低头投降,中国立的是根本大功

联合国秘书长有句话,他曾挑明:打垮日本,中国才是决定性力量;日本被耗到油尽灯枯,最后低头投降,中国立的是根本大功

回京历史梦
2026-09-27 17:58:12
我国每年近千万人做肠镜!医生直言:做一次肠镜,或管十年无碍

我国每年近千万人做肠镜!医生直言:做一次肠镜,或管十年无碍

芹姐说生活
2026-08-26 23:55:43
假如郑钦文战胜施晗,将会有4大收获:26万奖金+即时排名升第50位

假如郑钦文战胜施晗,将会有4大收获:26万奖金+即时排名升第50位

行舟问茶
2026-10-01 11:31:09
轻奢酒店卧室,吊带短裙配花饰高跟,出场直接惊艳全场

轻奢酒店卧室,吊带短裙配花饰高跟,出场直接惊艳全场

云端小院
2026-09-04 08:20:59
史上最强麒麟芯片!9050 Pro首发韬定律逻辑折叠技术:性能飙升23%

史上最强麒麟芯片!9050 Pro首发韬定律逻辑折叠技术:性能飙升23%

快科技
2026-10-01 11:45:12
中国驻美大使谢锋:年底前,中美两国元首还有望在深圳、迈阿密两度聚首,为中美关系注入强劲动力

中国驻美大使谢锋:年底前,中美两国元首还有望在深圳、迈阿密两度聚首,为中美关系注入强劲动力

政知新媒体
2026-10-01 16:47:36
为什么美国死刑执行要拖上三十年才了结

为什么美国死刑执行要拖上三十年才了结

小眼睛小世界
2026-10-02 04:18:41
北大化学才女李天乐,利用职务之便,将清华毕业的丈夫,一点点“熬”死在病房!她领出的剧毒为何消失了?

北大化学才女李天乐,利用职务之便,将清华毕业的丈夫,一点点“熬”死在病房!她领出的剧毒为何消失了?

史源观点
2026-09-29 19:09:22
距越南仅250公里,中建岛突然加速,中国这一步有何深意?

距越南仅250公里,中建岛突然加速,中国这一步有何深意?

清沐执笔
2026-10-01 21:11:37
美媒爆:特朗普政府正将美国几个主要盟友排除在北约会议之外

美媒爆:特朗普政府正将美国几个主要盟友排除在北约会议之外

环球网资讯
2026-10-01 21:18:20
2026-10-02 08:32:49
DeepTech深科技 incentive-icons
DeepTech深科技
麻省理工科技评论独家合作
17329文章数 515223关注度
往期回顾 全部

科技要闻

5999元起!华为Mate 90系列发布

头条要闻

"大明湖最有腔调爷爷"国庆夜现身 有外地粉丝特意赶来

头条要闻

"大明湖最有腔调爷爷"国庆夜现身 有外地粉丝特意赶来

体育要闻

“今天的表现,我们可以昂首离开球场”

娱乐要闻

奚梦瑶晒四太豪礼!22只龙凤镯近300万

财经要闻

智谱发上亿Token 能挽回开发者信任吗?

汽车要闻

2027款极氪001将于明年一季度上市 现款猎装同步推新配色

态度原创

旅游
家居
房产
公开课
军事航空

旅游要闻

打卡鹿角蕨!来陈村体验花海游园

家居要闻

2026建博会(广州) 公装联探展交流活动

房产要闻

4000+/平!华侨城,直接把海口楼市的地板给掀了!

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

军事要闻

美防长宣布组建“自主作战司令部”

无障碍浏览 进入关怀版