機器魚尾和優(yōu)雅的數(shù)學(xué)比例可以為下一代水下無人機的設(shè)計提供信息

水下車輛通常設(shè)計用于一種巡航速度，而在其他速度下通常效率低下。與魚游得好、快或慢的方式相比，該技術(shù)還處于初級階段。

如果您希望您的水下航行器快速穿越數(shù)英里的海洋，然后減速以繪制狹窄的珊瑚礁，或加速到漏油地點然后節(jié)流閥進行仔細測量，該怎么辦?

弗吉尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院助理教授Dan Quinn和他的同事，最近獲得 UVA 博士學(xué)位。研究生和博士后研究員鐘強發(fā)現(xiàn)了實現(xiàn)此類多速任務(wù)的關(guān)鍵策略。他們展示了一種在機器人中實施這一策略的簡單方法，最終可以為水下航行器設(shè)計提供信息。他們的工作最近發(fā)表在《科學(xué)機器人》上。

在設(shè)計游泳機器人時，研究人員不斷提出的一個問題是推動機器人在水中前進的部件應(yīng)該有多硬。這是一個很難的問題，因為在某些情況下運行良好的相同剛度在其他情況下可能會失敗。

“有一個尾部剛度就像在自行車上有一個齒輪比，”奎因說，他在機械和航空航天工程以及電氣和計算機工程方面擁有聯(lián)合任命。“你只能以一種速度高效。這就像用固定齒輪自行車在舊金山騎自行車一樣;走幾個街區(qū)你就會筋疲力盡。”

魚很可能通過實時調(diào)整它們的剛度來解決這個問題：它們根據(jù)情況調(diào)整不同的剛度級別。

問題是，沒有已知的方法來測量游泳魚的剛度，因此很難知道魚是否以及如何做到這一點。Quinn 和 Zhong 通過結(jié)合流體動力學(xué)和生物力學(xué)來推導(dǎo)出一個模型來說明如何以及為什么應(yīng)該調(diào)整尾部剛度，從而解決了這個問題。

“令人驚訝的是，”奎因說，“從所有的數(shù)學(xué)計算中得出一個簡單的結(jié)果：游泳速度的平方會增加硬度。

“為了測試我們的理論，我們建造了一個魚形機器人，它使用可編程的人造肌腱在水道中游泳時調(diào)整自己的尾巴剛度。發(fā)生的事情是，突然間，我們的機器人可以在更寬的速度范圍內(nèi)游泳，同時使用的能量幾乎是具有固定剛度尾巴的同一機器人的一半。進步真的非常顯著。”

“我們的工作是第一個結(jié)合生物力學(xué)、流體動力學(xué)和機器人技術(shù)來綜合研究尾巴剛度的工作，這有助于揭開尾巴剛度如何影響游泳表現(xiàn)的長期存在的謎團，”鐘說。“更奇妙的是，我們不僅專注于理論分析，還專注于提出可調(diào)剛度的實用指南。我們提出的可調(diào)剛度策略已被證明在現(xiàn)實的游泳任務(wù)中是有效的，其中機器魚同時實現(xiàn)了高速和高效率的游泳。”

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