8 月 12 日訊息，據《科學・機器人（Science Robotics）》報道，弗吉尼亞大學（University of Virginia School）教授 Dan Quinn 和他的研究團隊結合生物學、流體動力學以及機器人技術打造了一個魚狀的機器人。

該機器人通過可程式設計的人造肌腱（tendon），在水中游動時可以調整自己的尾巴剛度（tail stiffness），並且提供更大的遊動速度調節範圍，還能減少能量消耗。

他們講述了水下航行器（underwater vehicle）實現變速任務的關鍵要點 —— 像遊動的魚學習。因為通過研究他們發現，魚在遊動時可以通過調節尾部剛度來調節速度，不但能實時控制速度，而且能節省力量。

研究人員表示，該項研究將會給水下航行器的設計提供一定新的想法。

▲ 粒子影象測速儀展示了受金槍魚啟發的機器人背後的尾流。顏色表示水是逆時針（紅色）還是順時針（藍色）旋轉。（圖片來源：弗吉尼亞大學）

目前，水下航行器通常會設計成為以某種固定的速度巡航，而在其他模式下巡航速度和效率通常較為低下。與魚類不但能遊得好，還能控制遊速的快或慢方式相比，有關水下航行器的變速技術還處於初級研究階段。

該項研究題目為《可調剛度使魚狀機器人能夠快速高效地遊動（Tunable stiffness enables fast and efficient swimming in fish-like robots）》釋出在 8 月 11 日的《科學・機器人》上。

論文連結：https://robotics.sciencemag.org/content/6/57/eabe4088

一、材料硬度難以把控？不如學魚類自行調節尾部“硬度”

在設計游泳機器人（swimming robots）時，研究人員面對第一個難題是：推動機器人在水中向前驅動的零部件材料應該有什麼程度的硬度？因為有些零部件的硬度在某種情況下可能執行良好，但遇到其他情況時很有可能會破碎。

Dan Quinn 談道，“（魚形機器人的）尾部剛度就像自行車上的齒輪一樣，你只能以一種速度提高效率。”他舉了個例子，這種情況就像在山地裡騎著不能變速的自行車，僅僅一小段路人們就會感到筋疲力盡。

而魚類不同，它們將會根據不同情況來事實調整自己的尾部剛度。

二、建個模型，來看看遊動的魚尾如何變“硬”

接下來，研究人員又面對新的研究困境，目前沒有已知的方法可以測量魚的尾部剛度，人們也不清楚魚是如何調整自己的尾部剛度。

經過一段時間研究後，Quinn 和 Zhong 結合流體動力學和生物力學推匯出一個模型，說明魚類是怎樣調整尾部剛度以及為什麼調整尾部剛度，從而解決了這個困境。

▲ Zhong 作者和 Dan Quinn 展示了實驗設定

“為了檢驗我們的理論，我們打造了一個魚狀機器人，它通過可程式設計的人造肌腱在水中游動時調整自己的尾巴剛度。（我們）突然間（發現），我們的機器人可以在更大的速度範圍內變速。”同時他還表示，通過這種方式，魚狀機器人在相同速度下使用的能量不到過去的一半。

Quinn 認為，“從所有的數學計算中得出一個簡單的結果：隨著速度增加，遊動的魚尾部硬度也會隨之增加。”簡單來說，魚類在遊動的時候，它們尾部剛度會增強。

研究人員 Zhong 表示，該項研究是第一個結合生物學、流體動力學以及機器人技術來全面研究尾部剛度的變化。這有助揭開尾部剛度是如何影響水生生物的遊動速度謎團。

Zhong 還談到，“更奇妙的是，我們不僅專注於理論分析，而且還提出了可調節剛度策略的實用方案。我們提出的可調節剛度策略已被證明在現實遊動任務中有效，比如，機器魚（通過這種策略）實現了高速、實時調節、以及高效率的遊動。”

三、不僅是機器魚，還有機器海豚和蝌蚪

該研究團隊正準備將有關於可調節剛度的研究模型擴充套件到其他型別的游泳機器人上。

他們所打造的第一個魚類機器人是模仿金槍魚所設計的，目前，該團隊正在考慮如何將這個模型應用的範圍擴大，在海豚或蝌蚪大小的機器人上同樣適用。此外，他們還在研究通過機器人來模擬黃貂魚（undulatory）的起伏運動（stingrays）。

“我認為我們的研究專案不會很快結束。我們觀察過的每一種水生動物都給了我們新的靈感去建造更好的游泳機器人”，Quinn 還幽默地說道，“而且海里有更多的魚”。

結語：生物學將為機器人研究帶來更多可能

弗吉尼亞大學的研究人員通過研究魚的尾部剛度變化，並建立可調節剛度研究模型後，得到了一些設計水下航行器的靈感。

如今，越來越多機器人的研究困境可以在自然界生物上得到解決。機器人等技術的發展也同樣為生物研究帶來了更多生機。一方面，科研人員通過研究自然界的不同生物打造出不同型別的機器人，為人們帶來更多的便捷生活，另一方面，科研人員通過建立資料模型，更好地瞭解不同生物的特別之處。

此前，多國研究人員聯合釋出了首個為救援任務而設計的“機器”蟑螂，可以在任何環境中都能夠實現自動導航和人類存在檢測。

但目前的仿生機器人的應用多數處於試驗性質，真正大規模量產應用，甚至真正在生活中應用，還有非常長的路要走，普及機器人的任務任重道遠。