前言
“蝴蝶机器人”是迄今为止最快的游泳软机器人
北卡罗来纳州立大学的研究人员涉足游泳机器人，开发了一种受蝴蝶划水和蝠鲼启发的设备。
在机器人日益普及的时代，北卡罗来纳州立大学的研究人员开发了一种“蝴蝶机器人”，允许下一代机器人在水中操作。尽管它的名字，蝴蝶机器人不是一个空中的自动机，而是一个模仿蝠鲼游泳模式的高效游泳机器人。
蝴蝶机器人的系统级图突出显示了机器人的主要组件。柔软的机身包含一个执行器，由于机翼和鳍，可以有效地推动机器人。图片由北卡罗来纳州立大学提供
以蝴蝶划水命名的蝴蝶机器人的最高速度是以前的游泳机器人的四倍，同时使用相对简单的设计。北卡罗来纳州小组开发了两个原型，每个原型都有自己的优势。本文将更深入地了解蝴蝶机器人背后的技术。
像蝴蝶一样漂浮
由Jie Yin博士领导的北卡罗来纳州立大学研究小组从蝠鲼（一种小而快速的海洋生物）中汲取灵感，注意到自然界中经常看到的高效“拍打”运动在生物启发设计中并不那么有效。虽然海洋动物通常可以达到每秒超过一个体长（BL / s）的速度，但以前的设计无法超越这一里程碑。此外，它们的效率较低，使其使用不切实际。
考虑到奥卡姆剃刀，北卡罗来纳州小组开发了一种优雅的游泳机器人，它利用蝠鲼的“拍打”运动。Butterfly Bot 不依赖于分布式复杂的电气或液压系统，而是依靠双稳态柔性机翼来产生向前运动。双稳态翅膀，很像发夹，有两种稳定状态。通过添加足够的外部刺激，可以“切换”状态，这通常伴随着存储能量的快速释放。
软体弯曲角度与翅膀旋转角度之间的关系证明了蝶形机器人中使用的双稳态原理。一旦达到临界角，机翼就会进入新的稳定状态。图片由北卡罗来纳州立大学提供
双稳态机翼在系统复杂性和原始性能方面为蝴蝶机器人提供了几个优势。关于系统复杂性，机翼可以很容易地组装，每个机翼只需要一个胶合接头。驱动机翼是微不足道的，需要一个可以同时控制多个机翼位置的中央驱动单元（尽管不是独立的）。在第一个蝴蝶机器人中，翅膀经历了6.6米/秒的峰值速度和1.49 x 103米/秒的峰值加速度。
像蝠鲼一样游泳
为了进一步模仿蝠鲼的运动，在机翼的背面增加了一个灵活的鳍，以允许“襟翼”沿着鳍的长度向下延伸，产生向前运动，并允许蝴蝶机器人不仅游泳而且可以有效地游泳。
为了评估蝴蝶机器人的有效性，使用了两个主要指标：最高速度和Strouhal数。最高速度通常以BL / s为单位测量，因为较大的物体自然会表现出更大的峰值速度，而Strouhal数是代表功率效率的无量纲度量。自然界中的Strouhal数通常在0.2到0.4之间，使这个范围成为研究的目标。
频率-速度/效率关系表明，在~0.67 Hz下可实现最大效率，但通过增加驱动频率可以观察到速度增加。图片由北卡罗来纳州立大学提供
对于第一个蝴蝶机器人，研究人员观察到最高速度为3.74 BL / s，驱动压力为55 kPa，驱动频率为1 Hz。值得注意的是，不同的驱动频率自然会产生不同的速度和能源效率（就像我们在冲刺时达到更高的速度，但消耗能量的速度要快得多）。峰值效率出现在0.67 Hz的驱动频率下，相关速度为3.4 BL/s。
到目前为止，研究人员只使用一个执行器来控制两个机翼。这创造了最简单的系统架构，同时将运动限制在一条线上。然而，北卡罗来纳州小组希望使蝴蝶机器人能够转向。因此，研究人员组装了第二个机器人，这次有两个执行器，以独立控制机翼。通过拍打单个机翼，机器人可以转弯，同时拍打允许机器人以增强的机动性向前移动。
蝴蝶划水状双稳态扑翼软泳机器人。
海洋：机器人的最后前沿
以真正的科学方式，北卡罗来纳州小组意识到，尽管蝴蝶机器人取得了令人印象深刻的成就，但仍有更多工作要做，以改善他们的水生创造。速度的主要限制因素之一是执行器的带宽。在当前状态下，执行器被限制在大约1 Hz，而机翼的固有频率约为13.5 Hz。如果机器人要实现更高的速度，开发人员必须增加“抖动”频率以提供最大的提升。此外，研究人员还确定了系留空气供应和未优化的机翼形状，以改进未来的设计。
尽管目前存在这些设计挑战，但蝴蝶机器人已经引入了在水生环境中增加机器人存在的可能性。随着自动驾驶汽车、包裹递送无人机和无人卫星的出现，海洋似乎已经成为机器人技术的最后前沿。
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文章来源：中国机器人网
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