弗吉尼亚大学教授DanQuinn和博士后钟强结合生物力学、流体力学和机器人学，揭示了如何利用动态弹力调节来实现高性能游泳，该研究已刊登在最新一期的《Science Robotics》。机器人金枪鱼尾部内置的弹力调节执行器，可以根据当前游泳速度实时调节尾部弹力。资料来源：QiangZhong（钟强），DanielQuinn/弗吉尼亚大学。传统的螺旋桨驱动水下航行器系统可以在特定的设计巡航速度下保持较高的推进效率，但往往无法在高速和低速下都保持较高的推进效率。推进效率高。相比之下，自然界中的鱼类可以在很大的速度范围内保持极高的游动效率。关键因素是鱼由肌肉构成的灵活身体。受此启发，过去的研究人员开发了一些模仿鱼类的柔性机器鱼系统，例如通过柔性液压驱动和柔性仿生肌腱模仿鱼类的解剖结构。但是，如何选择合适的弹力设计是个大问题。不当的弹性结构设计会降低机器鱼的游泳性能，其推进速度和效率往往远不如生物原型。机器鱼尾的刚性就像自行车上的变速齿轮。固定弹力（刚度）设计的机器鱼就像一辆无法变速的自行车，短短的山路就足以让你疲惫不堪。但是通过传动机构，我们可以为不同的骑行条件选择最佳档位，以节省能源。全面详细地研究尾部弹性对游泳性能的影响及其背后的水动力机制对于未来高性能仿生水下航行器的发展至关重要。在最新一期的《Science Robotics》中，来自弗吉尼亚大学的DanQuinn教授和博士后钟强结合生物力学、流体力学和机器人学，揭示了如何利用动态弹性调节来实现高性能游泳。本研究介绍了一种具有动态尾部弹性调节的机器人金枪鱼平台，它可以根据当前的游泳速度通过可编程的人工肌腱自动调节尾部刚度。通过动态弹性调节，机器人金枪鱼在实验中实现了更大范围的游速调节和推进效率近100%的提升。这种动态弹性调节方式解决了目前柔性仿生机器鱼的性能瓶颈，为未来高频、高速大型仿生潜艇系统的发展提供了新的解决方案。论文地址：https://robotics.sciencemag.org/content/6/57/eabe4088材料的硬度很难控制吗？不如向鱼学习，自己调节尾巴的“硬度”。生物学研究认为，鱼类在利用自身肌肉带动尾巴摆动的同时，还利用部分肌肉来调节身体的弹力，以达到较高的推进效率。金枪鱼通过肌肉控制贯穿全身的肌腱系统来调节尾部弹性。然而，由于其结构特性，我们无法直接测试动态弹性调节对活金枪鱼游泳性能的影响。为了探究金枪鱼在变速游动中的弹性调节机制及其背后的流体力学原理，我们以金枪鱼的解剖结构为原型进行建模，并以此为基础设计了机器人金枪鱼平台。与以往倾向于模仿鱼体结构和游动姿势的仿生学研究不同，我们刻意降低了鱼体结构的复杂性，重点关注尾部弹性对游泳性能的影响。此外，我们还开发了高频驱动装置，驱动金枪鱼机器人实现与真金枪鱼相近的游泳频率（约7赫兹）。基于真实金枪鱼结构和简化数学建模的机器人金枪鱼设计。结合流体力学和机器人学，看看游动的鱼尾如何变“硬”。在这项研究中，我们将机器人学和流体力学相结合，同时从流体力学建模和实验两个方向探索动态弹性。调理对游泳成绩的影响。通过结合鱼体的动力学模型和非定常气动模型（TheodorsenModel），我们可以利用数学模型来预测鱼体的动态弹性调节和游动性能。此外，我们还开发了一套智能信息物理实验系统，并在我们设计的机器人金枪鱼上进行了大量的实验。水动力实验与数学模型预测高度吻合，因此得出结论应根据游泳速度的平方比调整尾部弹性，以达到最高的游泳性能。我们发现，在变速游泳过程中，尾巴的弹性系数应该与游泳速度的平方成正比，通过这种简单的调整，可以达到最高的推进效率。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模拟了长耐力机动游泳任务。动态速度：0~2个身长/秒），动态弹性调节最多可实现近100%的推进效率提升。动态弹性调节方法具有广阔的应用前景。我们提出的动态弹性调节方法解决了困扰科研人员多年的柔性仿生机器鱼的性能瓶颈，为未来设计高频、高速的大型仿生水下潜艇系统提供了理论依据。研究成果不仅适用于目前的金枪鱼机器人平台，还可以推广到其他很多仿生推进应用场景。根据我们的模型预测，动态弹性调整特别适用于大型、高速、高频的仿生水下航行器。该研究为未来高性能仿生推进系统的发展提供了新的解决方案。有望大幅提升仿生柔性机械系统的推进性能和应用能力，使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。.
