蝶泳軟機(jī)器人實(shí)物圖及泳姿。受訪者供圖

萬物皆有啟發(fā)，無論是迅疾的獵豹，還是一枚小小的發(fā)卡。而正是這兩個(gè)風(fēng)馬牛不相及的事物，給一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)先后帶來了靈感。

研究過程很美好，但投稿卻不太順利。盡管成果遭遇頂刊婉拒，但論文一作赤銀鼎并沒有感到懊惱和焦慮，反而發(fā)出這樣的感嘆：“我很享受研究和投稿的過程。”最終，該論文11月18日發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》，文章介紹了一款可以蝶泳的軟體機(jī)器人，并且被《自然》亮點(diǎn)報(bào)道。

“與目前同類軟體機(jī)器人每秒最快可以游大約1個(gè)身長(zhǎng)相比，我們研制的軟體機(jī)器人每秒可以游3.74個(gè)身長(zhǎng)，接近海豚的相對(duì)游速，并且游動(dòng)過程還很省力?！?/p>

準(zhǔn)備這篇論文的時(shí)候，赤銀鼎是美國(guó)北卡羅來納州立大學(xué)機(jī)械航空系副教授尹杰的博士研究生，尹杰是論文的通訊作者。如今，赤銀鼎正在賓夕法尼亞大學(xué)做博士后，繼續(xù)開展他喜歡的軟體機(jī)器人研究。

來自女生發(fā)卡的靈感

“我們希望研發(fā)出像魔鬼魚一樣的軟體機(jī)器人，不僅游泳速度快，還更節(jié)能省力?！?/p>

尹杰團(tuán)隊(duì)先后設(shè)計(jì)了兩種蝶泳機(jī)器人：一種注重速度，平均游速可達(dá)每秒3.74個(gè)身長(zhǎng)；一種注重靈活性，可以向右或向左快速轉(zhuǎn)彎，平均游速每秒1.7個(gè)身長(zhǎng)。

“動(dòng)物游泳或飛行時(shí)，斯特勞哈爾數(shù)（評(píng)估能量效率的無量綱常數(shù)）在0.2～0.4之間會(huì)出現(xiàn)最佳的推進(jìn)效能。”赤銀鼎介紹，“我們?cè)O(shè)計(jì)的兩款蝶泳機(jī)器人的斯特勞哈爾數(shù)都在這個(gè)范圍內(nèi)?！?/p>

為什么稱其為蝶泳軟體機(jī)器人？秘密武器在于翅膀。

“蝶泳軟體機(jī)器人翅膀的設(shè)計(jì)靈感來自女生常用的按扣發(fā)卡?！背嚆y鼎指出，按動(dòng)發(fā)卡的兩個(gè)撥片，發(fā)出“啪嗒”一聲后，發(fā)卡可以跳動(dòng)到另一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)中，軟體機(jī)器人的翅膀也可以實(shí)現(xiàn)這樣的“雙穩(wěn)態(tài)”。

“我們將模擬發(fā)卡雙穩(wěn)態(tài)的翅膀附著在柔軟的硅膠機(jī)身上，通過向機(jī)身充入氣體可以控制翅膀在兩種穩(wěn)定狀態(tài)之間切換?！背嚆y鼎描述道，“當(dāng)硅膠機(jī)身膨脹和收縮時(shí)，軟體機(jī)器人的身體也會(huì)發(fā)生彎曲，使翅膀能夠靈活擺動(dòng)，就像蝶泳者通過拍打水面向前游動(dòng)?！?/p>

“以前研發(fā)的這類軟體機(jī)器人大多使用電機(jī)直接為機(jī)翼提供動(dòng)力?！币苷f，“我們簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，降低了重量，保證其在快速游動(dòng)的同時(shí)更省力。”

上一個(gè)靈感來自獵豹

大概兩年前，尹杰團(tuán)隊(duì)就已研發(fā)出一款軟體機(jī)器人——不僅可以像獵豹一樣離地奔跑，還能輕松抓取物體，更有足夠大的力量可以舉起重物。

這款軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)的靈感來自陸地上奔跑速度最快的動(dòng)物——獵豹。

“獵豹可以通過彎曲脊柱獲得速度和力量。”尹杰說，“我們受此啟發(fā)研制的軟體機(jī)器人可以通過將空氣泵入軟硅膠機(jī)器人的機(jī)身，實(shí)現(xiàn)在兩種穩(wěn)定狀態(tài)之間快速切換，讓其在幾十毫秒內(nèi)存儲(chǔ)和釋放能量，從而快速對(duì)地面施加力并實(shí)現(xiàn)跑跳?！?/p>

尹杰團(tuán)隊(duì)給軟體機(jī)器人起了一個(gè)名字叫LEAP。尹杰介紹，相比當(dāng)時(shí)報(bào)道的最快軟體機(jī)器人能以每秒0.8倍體長(zhǎng)的速度在平坦表面移動(dòng)，LEAP能在3Hz的低驅(qū)動(dòng)頻率下以每秒2.7倍體長(zhǎng)的速度實(shí)現(xiàn)快速“奔跑”。

在研究中，尹杰團(tuán)隊(duì)還通過“鰭”的設(shè)計(jì)，提高了LEAP的游泳速度，使其能夠以每秒0.78個(gè)身長(zhǎng)的速度游泳。而當(dāng)時(shí)報(bào)道的游泳軟體機(jī)器人的最快速度是每秒0.7個(gè)身長(zhǎng)。

錯(cuò)失頂刊收獲《自然》亮點(diǎn)報(bào)道

而這篇論文的投稿經(jīng)歷可謂一波三折。

“最開始我們選擇的是機(jī)器人領(lǐng)域的頂刊《科學(xué)機(jī)器人》，并且進(jìn)入送審階段。雖然審稿人都覺得研究很有意思，并承認(rèn)設(shè)計(jì)非常有創(chuàng)新性，但最后還是拒稿了。”尹杰回憶道，“后來我們選擇投《自然》，審稿人覺得我們的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)還有待改進(jìn)。但好消息是《自然》主編非常認(rèn)可我們的研究，并表示論文發(fā)表后可以給予亮點(diǎn)報(bào)道。”

雖然錯(cuò)失發(fā)表領(lǐng)域內(nèi)頂刊的機(jī)會(huì)，但赤銀鼎并沒有懊惱。他告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：“投稿的過程讓我得到了更多有價(jià)值的建議，可以幫助我們更好地改進(jìn)設(shè)計(jì)?！?/p>

一個(gè)好的靈感在實(shí)現(xiàn)的過程中往往頗具挑戰(zhàn)。研究過程中所遇到的困難也讓赤銀鼎覺得十分有趣：“發(fā)卡肯定不能游泳，但發(fā)卡提供了一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，而且發(fā)卡很輕。受此啟發(fā)，我們對(duì)軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，嘗試了不同的驅(qū)動(dòng)模式、骨架結(jié)構(gòu)以及塑料材料，最后研制出的軟體機(jī)器人不僅會(huì)蝶泳，重量還很輕，僅2.8克。”

談及應(yīng)用，尹杰透露，蝶泳軟體機(jī)器人可以克服阻力在水里靈活穿梭，有望成為環(huán)保小幫手，用于海面油污清理和富營(yíng)養(yǎng)化治理。

（原標(biāo)題《獵豹和發(fā)卡有關(guān)嗎 最快蝶泳機(jī)器人問世》）

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1126/sciadv.add3788