近期，北卡羅來納州立大學(xué)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種節(jié)能的軟體機(jī)器人，名為“蝴蝶機(jī)器人”，顧名思義，這一機(jī)器人的游泳動(dòng)作很像蝶泳，而且速度極快，據(jù)悉，它的游泳速度比之前出現(xiàn)的游泳軟體機(jī)器人快四倍以上。該項(xiàng)研究以論文“Snapping for high-speed and high-efficient, butterfly swimming-like soft flapping-wing robot”為題于近日發(fā)表于《Science Advances》期刊上。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了兩種不同類型的蝴蝶機(jī)器人。一個(gè)專為速度而打造，能夠達(dá)到每秒 3.74 個(gè)身體長度的平均速度。另一個(gè)被設(shè)計(jì)成高度機(jī)動(dòng)的，能夠向右或向左急轉(zhuǎn)彎。速度可以達(dá)到每秒 1.7 個(gè)身體長度的速度。

在動(dòng)物界，蝴蝶飛行的動(dòng)力來自其“翅膀”，它們是“雙穩(wěn)態(tài)”的，這意味著翅膀有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。翅膀扇動(dòng)的軌跡類似于數(shù)字8，這與蜂鳥和黃蜂翅膀的軌跡非常類似。

機(jī)器人想要為現(xiàn)這種復(fù)雜軌跡，往往需要很多復(fù)雜的連接結(jié)構(gòu)來組成傳動(dòng)系統(tǒng)。機(jī)器人通過驅(qū)動(dòng)來上下彎曲身體，從而帶動(dòng)兩翼的突跳（snapping）快速上下擺動(dòng)與旋轉(zhuǎn)，通過驅(qū)動(dòng)器的充放氣使得翅膀在往上和往下彎曲的狀態(tài)來回切換。

整個(gè)切換的過程通過突跳實(shí)現(xiàn)，突跳可以把積累的能量迅速釋放，使得軟體機(jī)器人瞬間加大游速。與此同時(shí)，輸入整個(gè)系統(tǒng)的能量反而降低，因此使得軟體機(jī)器人同時(shí)具備快速和高效兩種優(yōu)勢。隨著游動(dòng)，軟體機(jī)器人的整個(gè)身體還會(huì)呈現(xiàn)波狀起伏，像極了人類在蝶泳時(shí)由頭部到軀干的波狀起伏。不同的是，這種軟體機(jī)器人不論是向下扇動(dòng)還是向上扇動(dòng)翅膀，都能獲得巨大的推力。

這種軟體機(jī)器人擁有獨(dú)特運(yùn)動(dòng)優(yōu)勢的同時(shí)也存在不足，但是它只能實(shí)現(xiàn)單向向前游泳。為了解決這一局限性，研發(fā)團(tuán)隊(duì)們進(jìn)一步開發(fā)了更快的蝴蝶機(jī)器人——一種能夠定向轉(zhuǎn)向的機(jī)動(dòng)撲翼游泳機(jī)器人。

該機(jī)器人由一個(gè)多穩(wěn)態(tài)軟撲動(dòng)執(zhí)行器構(gòu)成，兩個(gè)軟氣動(dòng)彎曲執(zhí)行器在中間并聯(lián)連接作為軟體，帶有包裹薄膜和延伸柔性鰭的兩個(gè)雙穩(wěn)態(tài)機(jī)翼既可以在單一驅(qū)動(dòng)下獨(dú)立拍動(dòng)以進(jìn)行轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，也可以在雙重驅(qū)動(dòng)下同時(shí)拍動(dòng)以進(jìn)行前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，從而提高機(jī)動(dòng)性。

“以前開發(fā)撲翼機(jī)器人的大多數(shù)嘗試都集中在使用電機(jī)直接為機(jī)翼提供動(dòng)力，”團(tuán)隊(duì)的研究人員表示?！拔覀兊姆椒ㄊ褂猛ㄟ^移動(dòng)中央主體被動(dòng)驅(qū)動(dòng)的雙穩(wěn)態(tài)機(jī)翼。這是一個(gè)重要的區(qū)別，因?yàn)樗试S簡化設(shè)計(jì)，從而減輕重量。”