受金枪鱼启发的机器人鳍可以帮助深海无人机比鱼游得更好

机器人鳍改善了力控制、回收和水的利用，使无人水下航行器（UUV）的机动性比传统螺旋桨提高了49%。

马里兰大学（UMD）的一个研究小组正在推进水下无人机技术，他们开发了一种受金枪鱼启发的机器人鳍。

为了提高速度和机动性，该项目旨在弥合无人水下航行器（UUV）与其机载同行之间的性能差距。

这种鳍驱动的无人机可能会彻底改变深海勘探，比目前的设计提供更高的效率。

马里兰大学机械工程助理教授兼研究负责人韦尔塔斯·塞德拉（Huertas Cerdeira）表示：“我从经过数百万年进化的生物游泳运动员身上汲取灵感，它们比任何旋转螺旋桨的游泳运动员都更有效。”

“我们不能造鱼。但我们可以制造一个像鱼一样移动的机器人并对其进行优化。”Cerdeira在一份声明中说。

Tuna-inspired设计

最先进的无人水下航行器（UUV）依赖于几个世纪以来不断改进的螺旋螺旋桨。然而，随着机器人技术和自主性的进步，UUV任务变得越来越复杂，需要更高的效率、机动性和隐身性。科学家们正在转向生物动力推进，因为生物游泳者在关键指标上优于人造系统。

尽管生物和机械推进系统有各自的优势，但它们都面临着效率和机动性之间的权衡。例如，UUV检查和维修水下石油基础设施必须覆盖很长的距离，同时保持精确定位。现有的机动系统，包括升力面、推力矢量和侧推进器，都存在阻力增加、复杂或响应时间慢等缺点。

通过融合工程和自然的概念，这项新研究提出了一种为UUV提供动力的新方法。目前的研究提出了一种新的水下推进系统，该系统以鱼类的尾鳍为模型，特别是金枪鱼和其他使用鳍状游泳的物种。

UUV有一个机器人系统，使尾鳍在三个方向上自由移动，以便做到这一点。由于它的弹性，它可以在比自然或现代螺旋桨设计更大的范围内移动。然而，要弄清楚鳍在某些活动中应该如何运动是很困难的。

为了解决这个问题，研究人员使用了一种数据驱动的方法，这种方法依赖于现实世界的实验。通过测试不同的运动和实时分析结果，他们确定了操纵UUV的最有效的鳍运动。这种方法旨在创造一种高效灵活的水下航行器。

科技使无人机更加快速、灵活

与传统螺旋桨70%的效率相比，这种Thunniform游泳方式的效率高达90%。然而，Thunniform游泳者在低速机动和站位保持方面会遇到困难。新的设计解决了这个问题，为UUV配备了一个三自由度（3-DOF）的机器人鳍，使其能够进行比自然鱼类游泳更复杂的运动。

机器人鳍能够更好地控制力方向，实现更有效的恢复冲程，并改善不稳定水力的使用。甚至生物划桨和昆虫翅膀的运动也被研究人员的四步移动方法所超越。与传统螺旋桨相比，该技术将机动性提高了49%。

然而，这种设计是高效的，抗压的，并且能够运输精细的有效载荷，尽管有一个坚固的身体和一个高展弦比的鳍，这通常限制了机动性。虽然该系统更加复杂和昂贵，但它可以被修改以适应未来的鳍设计，例如提高效率的柔性鳍。

根据这项研究，3D鳍运动提高了一系列鳍形的机动性，这使得这种策略在未来的UUV中是可行的。

研究小组计划在年底前制造出这种鳍，并在马里兰大学流体动力学实验室的水洞中进行测试。一旦无人机完成，两到三年内，他们将在马里兰州南部的马里兰州自主技术研究创新和探索实验室进行试验。

该团队的研究细节发表在《科学报告》杂志上。

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