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        靈感來自海灘上的彈涂魚

        2024-05-21 06:26:34陳彥希王佳佳
        大學(xué)生 2024年5期
        關(guān)鍵詞:研究

        陳彥希 王佳佳

        退潮時(shí),廈門的沙坡尾海灘上常常可以看到一些黑乎乎的、爬來爬去,還不停跳躍的魚,那就是彈涂魚。

        彈涂魚不僅可以在岸上爬,還能在水里游,這種兩棲的特點(diǎn)吸引了廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院的張宇教授,并讓他產(chǎn)生了發(fā)明“兩棲機(jī)器人”的想法。

        經(jīng)過長時(shí)間設(shè)計(jì)研發(fā),這一想法終于成真。不久前,張宇團(tuán)隊(duì)及其合作者研發(fā)的“仿生彈涂魚兩棲機(jī)器人(MIARF)”終于亮相。

        實(shí)地測試證明,該機(jī)器人能夠根據(jù)水陸兩種不同的運(yùn)動(dòng)環(huán)境,采用不同的運(yùn)動(dòng)模式——通過胸鰭-尾鰭的協(xié)調(diào)作用,實(shí)現(xiàn)陸地及水下復(fù)雜環(huán)境中的高能量效率與高機(jī)動(dòng)性。近日,相關(guān)成果發(fā)表于Cell旗下期刊《Cell?Reports?Physical?Science》。

        專門研究魚的團(tuán)隊(duì)

        實(shí)際上,這不是張宇團(tuán)隊(duì)第一次研究仿生機(jī)器魚了。在此之前,團(tuán)隊(duì)就曾開展過許多關(guān)于仿生魚的研究——仿生鯊魚、仿生刀魚、仿生金槍魚、仿生水母

        為什么要研究仿生魚?海洋約占地球表面積的71%,但對于人類來說,約95%的海洋是未知的。因此,認(rèn)識海洋、探測海洋成為一個(gè)迫切的問題。而仿生機(jī)器人作為認(rèn)識和探測海洋的前沿載體技術(shù),起著重要作用。相比起人,機(jī)器人更適合在復(fù)雜和缺氧的水下環(huán)境進(jìn)行大量探測。

        傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人一般通過螺旋槳驅(qū)動(dòng)或空輪式驅(qū)動(dòng),機(jī)動(dòng)性較差,在狹小的空間內(nèi),傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人無法有效工作。而真實(shí)的生物,比如魚類,可以在遠(yuǎn)小于自身身體大小的空間里有效轉(zhuǎn)向,這對于研究在復(fù)雜空間內(nèi)作業(yè)的仿生機(jī)器人有重要借鑒意義。

        兩棲機(jī)器人既能入水,又可上地,靈活適應(yīng)環(huán)境,能夠完成需要跨介質(zhì)的環(huán)境監(jiān)測、搜索救援等工作。但由于技術(shù)原因,大部分的兩棲機(jī)器人難以實(shí)現(xiàn)有效的兩極切換,且尺寸笨重、噪聲較大、運(yùn)動(dòng)效率低下、隱蔽性不強(qiáng)。于是,張宇團(tuán)隊(duì)基于彈涂魚的生物靈感,設(shè)計(jì)了一款具有較高運(yùn)動(dòng)效率和環(huán)境適應(yīng)性的機(jī)器魚。

        仿生彈涂魚,銀獎(jiǎng)!

        這項(xiàng)頗具創(chuàng)新點(diǎn)的課題,最早要追溯到2019年的一次比賽。

        在往年的國際水中機(jī)器人大賽(現(xiàn)國際先進(jìn)機(jī)器人及仿真技術(shù)大賽)中,廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院就曾用仿生鯊魚拿下過金獎(jiǎng)。2019年,張宇帶領(lǐng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)參賽時(shí),他們犯了難——這一次做什么“魚”好呢?張宇靈光一閃,給項(xiàng)目成員提了一個(gè)特別的建議:“我們這次做彈涂魚!”

        那么,如何用機(jī)器模仿彈涂魚的兩棲行為呢?

        實(shí)際上,彈涂魚能在陸地上運(yùn)動(dòng),它發(fā)達(dá)的胸鰭“功不可沒”。在地面上活動(dòng)時(shí),彈涂魚的胸鰭就像兩根拐杖,它會(huì)先伸出“拐杖”支撐起身體,然后迅速地把身體拖向前去。如此反復(fù),宛如一個(gè)使用雙拐行走的人。而在水下,彈涂魚則使用尾鰭和身體的擺動(dòng)來完成游動(dòng)。

        當(dāng)時(shí)的項(xiàng)目成員采用多舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式,用多個(gè)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)胸鰭的爬行,一個(gè)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)尾部的擺動(dòng),簡單地將兩種功能組合在了一起。這個(gè)項(xiàng)目最終獲得了該比賽的銀獎(jiǎng),但在張宇眼中,它的潛力遠(yuǎn)不止于此。但由于當(dāng)時(shí)缺乏合適的人才,仿生彈涂魚這個(gè)點(diǎn)子,就此沉寂了下去。

        仿生彈涂魚,再生!

        事情在2021年迎來了轉(zhuǎn)機(jī)。

        張宇說:“從科創(chuàng)到形成真正意義上的科研突破,需要有針對性地研究問題。比如要研究材料、控制或是流體,如何從一個(gè)現(xiàn)象中去提取規(guī)律,這都要找到合適的人?!?/p>

        而對仿生機(jī)器人有濃厚興趣、本科學(xué)習(xí)過程裝備與控制工程專業(yè)的研究生鄭煒,以及從事流體力學(xué)研究的博士后林中路等同學(xué)就是張宇口中“合適的人”。他們加入后,一個(gè)由本科生、碩博士生、博士后組成的團(tuán)隊(duì)漸成規(guī)模,仿生彈涂魚的項(xiàng)目又開始了“新生之路”。

        如何把本科大創(chuàng)(全稱為“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目”)的仿生彈涂魚這樣的研究雛形,改造為更加成熟、更具應(yīng)用價(jià)值的科研成果呢?

        首先,要將仿生彈涂魚的兩棲功能有機(jī)地組合起來,充分發(fā)揮胸鰭和尾鰭的協(xié)調(diào)作用,而不僅僅是簡單拼湊。

        通過長時(shí)間觀察以及查閱大量文獻(xiàn),團(tuán)隊(duì)成員發(fā)現(xiàn),雖然彈涂魚主要依靠胸鰭在陸地上運(yùn)動(dòng),但它的尾鰭也起到了重要的協(xié)調(diào)作用。尾鰭通過對地面的摩擦,使彈涂魚可以很好地轉(zhuǎn)向。于是,項(xiàng)目組將胸鰭和尾鰭的運(yùn)動(dòng)有效地協(xié)調(diào)起來,從而大大減小了機(jī)器魚的轉(zhuǎn)向半徑,提高了轉(zhuǎn)向速度。

        而在水下,胸鰭發(fā)揮了穩(wěn)定平衡和浮潛的作用。胸鰭就像飛機(jī)的機(jī)翼,當(dāng)胸鰭向上折,彈涂魚就可以往下沉;而當(dāng)胸鰭向下折,彈涂魚就能浮起來?;诖耍瑘F(tuán)隊(duì)成員進(jìn)一步完善了仿生機(jī)器魚在水下的運(yùn)動(dòng)。

        此外,優(yōu)化彈涂魚模型的過程,還涉及胸鰭材料選取、流體力學(xué)設(shè)計(jì)等問題

        經(jīng)過團(tuán)隊(duì)成員的不斷修改和打磨,最終,仿生彈涂魚具有了高機(jī)動(dòng)性和環(huán)境適應(yīng)性,其陸地和水下運(yùn)動(dòng)的最小運(yùn)輸成本分別為4.56和2.02,優(yōu)于許多現(xiàn)有的兩棲和單模態(tài)機(jī)器人。

        其實(shí),團(tuán)隊(duì)的很多科研靈感,最初都來源于一個(gè)本科生俱樂部。2016年,張宇帶領(lǐng)一群熱愛海洋仿生的學(xué)生,建立了水下探測機(jī)器人創(chuàng)新俱樂部。他們從自然界中提煉有意思的現(xiàn)象,挖掘出機(jī)制上的創(chuàng)新點(diǎn),通過科學(xué)的方法將其運(yùn)用到實(shí)際中。幾年來,俱樂部成員拿下過多次國際先進(jìn)機(jī)器人及仿真技術(shù)大賽的獎(jiǎng)項(xiàng),一些同學(xué)本科畢業(yè)后,又進(jìn)入了張宇的團(tuán)隊(duì)讀研,繼續(xù)致力于水下機(jī)器人的研究

        “仿生彈涂魚這類的兩棲機(jī)器人研究,在國內(nèi)乃至世界范圍內(nèi)都不算成熟,我們也是摸著石頭過河。在科研中,只有廣泛地去研究,才能有不一樣的結(jié)果?!编崯樥f。

        未來,張宇團(tuán)隊(duì)希望通過進(jìn)一步研究,使仿生彈涂魚在環(huán)境探測、生態(tài)保護(hù)等方面實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低功耗、網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用。

        責(zé)任編輯:丁莉莎

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