研究小組推出了 Tunabot 這是第一種與金槍魚(yú)同步的機(jī)器

弗吉尼亞大學(xué)工程學(xué)院的機(jī)械工程師與哈佛大學(xué)的生物學(xué)家合作，創(chuàng)造了第一臺(tái)被證明可以模仿活黃鰭金槍魚(yú)的速度和運(yùn)動(dòng)的機(jī)器魚(yú)。

他們的同行評(píng)審論文“金槍魚(yú)機(jī)器人：探索游泳魚(yú)類表演空間的高頻實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”于2019年9月18日發(fā)表在“ 科學(xué)機(jī)器人”雜志上。

由UVA工程機(jī)械和航空航天工程系教授Hilary Bart-Smith領(lǐng)導(dǎo)的機(jī)器人金槍魚(yú)項(xiàng)目誕生于海軍研究辦公室為期五年，耗資720萬(wàn)美元的多學(xué)科大學(xué)研究計(jì)劃，授予Bart-Smith學(xué)習(xí)快速，有效的游泳不同的魚(yú)類。巴特 - 史密斯項(xiàng)目的目的是更好地了解魚(yú)類推進(jìn)的物理學(xué)，這項(xiàng)研究最終可以為下一代水下航行器的開(kāi)發(fā)提供信息，這種水下航行器比魚(yú)類系統(tǒng)更好地驅(qū)動(dòng)，而不是螺旋槳。

水下機(jī)器人在一系列應(yīng)用中也很有用，例如國(guó)防，海洋資源勘探，基礎(chǔ)設(shè)施檢查和。

然而，在生物驅(qū)動(dòng)的推進(jìn)系統(tǒng)可以用于有人和無(wú)人駕駛車輛的公共和商業(yè)用途之前，研究人員必須能夠可靠地了解魚(yú)類和其他生物如何在水中移動(dòng)。

“我們的目標(biāo)不僅僅是建造一個(gè)機(jī)器人。我們真的想要了解生物游泳的科學(xué)，”Bart-Smith說(shuō)。“我們的目標(biāo)是建立一些我們可以根據(jù)什么使生物游泳者如此快速和有效地檢驗(yàn)假設(shè)的東西。”

該團(tuán)隊(duì)首先需要研究高性能游泳運(yùn)動(dòng)員的生物力學(xué)。哈佛大學(xué)生物學(xué)教授喬治·勞德和他的研究團(tuán)隊(duì)精確測(cè)量了黃鰭金槍魚(yú)和鯖魚(yú)的游泳動(dòng)態(tài)。利用這些數(shù)據(jù)，Bart-Smith和她的團(tuán)隊(duì)，研究科學(xué)家Jianzhong“Joe”Zhu和Ph.D. 學(xué)生卡爾懷特，建造了一個(gè)機(jī)器人，不僅像水下的魚(yú)一樣移動(dòng)，而且足夠快地?fù)舸蛩奈舶?，達(dá)到幾乎相同的速度。

然后，他們將名為“Tunabot”的機(jī)器人與活體標(biāo)本進(jìn)行了比較。

“有很多關(guān)于魚(yú)類機(jī)器人的論文，但其中大多數(shù)都沒(méi)有太多的生物學(xué)數(shù)據(jù)。所以我認(rèn)為這篇論文在機(jī)器人工作和生物數(shù)據(jù)的質(zhì)量上是獨(dú)一無(wú)二的，”勞德說(shuō)。

“我們?cè)谡撐闹刑岢龅慕Y(jié)果令人驚嘆的是生物學(xué)和機(jī)器人平臺(tái)之間的相似之處，不僅僅是游泳運(yùn)動(dòng)學(xué)方面，還有速度與尾部頻率和能量性能之間的關(guān)系。 ，“巴特史密斯說(shuō)。“這些比較讓我們對(duì)我們的平臺(tái)及其幫助我們更多了解生物游泳物理學(xué)的能力充滿信心。”

該團(tuán)隊(duì)的工作建立在UVA Engineering在自治系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)之上。機(jī)械和航空航天工程系是UVA工程網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)鏈接實(shí)驗(yàn)室的參與者，該實(shí)驗(yàn)室專注于智能城市，智能健康和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，包括自動(dòng)駕駛汽車。

Tunabot項(xiàng)目是Bart-Smith在海軍研究辦公室的第二個(gè)競(jìng)爭(zhēng)激烈的多學(xué)科大學(xué)研究計(jì)劃的產(chǎn)物; 2008年，巴特 - 史密斯獲得了650萬(wàn)美元的獎(jiǎng)金，用于開(kāi)發(fā)以蝠for為模型的水下機(jī)器人。

Tunabot的測(cè)試在UVA工程機(jī)械和航空航天工程大樓的一個(gè)大型實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，在一個(gè)占據(jù)房間大約四分之一的流動(dòng)水箱中，在哈佛大學(xué)的類似設(shè)施中進(jìn)行。無(wú)眼，無(wú)鰭復(fù)制魚(yú)大約10英寸長(zhǎng); 生物等效物可以達(dá)到七英尺長(zhǎng)。釣線系繩保持機(jī)器人穩(wěn)定，綠色激光穿過(guò)塑料魚(yú)的中線。激光測(cè)量機(jī)器人每次掃描其制造的尾部時(shí)流出的流體運(yùn)動(dòng)。隨著流動(dòng)水箱中的水流加速，Tunabot的尾部和整個(gè)身體以快速?gòu)澢姆绞揭苿?dòng)，類似于活黃鰭金槍魚(yú)游泳的方式。

“到目前為止，我們?cè)隰~(yú)類機(jī)器人文獻(xiàn)中看到，其他人已經(jīng)建立了非常好的系統(tǒng)，但數(shù)據(jù)在測(cè)量選擇和顯示方面往往不一致。這只是目前機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的現(xiàn)狀。我們的論文Tunabot很重要，因?yàn)槲覀兊木C合性能數(shù)據(jù)設(shè)定了非常高的標(biāo)準(zhǔn)，“懷特說(shuō)。

勞德說(shuō)，生物學(xué)和機(jī)器人學(xué)之間的關(guān)系是循環(huán)的。“我認(rèn)為我們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域有一個(gè)成功的研究計(jì)劃的一個(gè)原因是生物學(xué)家和機(jī)器人專家之間的巨大互動(dòng)。” 一個(gè)分支中的每個(gè)發(fā)現(xiàn)都告訴另一個(gè)分支，這是一種不斷推進(jìn)科學(xué)和工程學(xué)的教育反饋循環(huán)。

“我們并不認(rèn)為生物學(xué)已經(jīng)發(fā)展到最佳解決方案，”Bart-Smith說(shuō)。“這些魚(yú)類已經(jīng)有很長(zhǎng)的時(shí)間發(fā)展成一種解決方案，使它們能夠生存，特別是吃，繁殖，而不是被吃掉。不受這些要求的限制，我們可以專注于促進(jìn)更高性能，更高速度的機(jī)制和功能我們的最終目標(biāo)是超越生物學(xué)。我們?cè)鯓硬拍芙ㄔ斐隹雌饋?lái)像生物學(xué)的東西，但比你在海洋中看到的任何東西游得更快?“