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金槍魚是海洋中游得最快的魚類之一。它們?cè)谒锌焖僖苿?dòng)時(shí)，會(huì)將鰭收縮或者折疊起來，以減少阻力。近日，廈門大學(xué)的林中路和同事利用金槍魚這一巧妙的鰭折疊機(jī)制，改進(jìn)了水生機(jī)器人的設(shè)計(jì)，研發(fā)出一款更敏捷的金槍魚機(jī)器人，使轉(zhuǎn)彎速度提高了近33%。相關(guān)研究成果已在預(yù)印本平臺(tái)arXiv上發(fā)布。
一個(gè)借鑒了金槍魚聰明的游泳技巧的機(jī)器人。圖片來源：Zhonglu Lin et al. (2024)
這個(gè)金槍魚形狀的機(jī)器人有半米長，其頭部、背部的背鰭以及尾巴末端的尾鰭分別安裝了一個(gè)馬達(dá)。研究人員拍攝了機(jī)器人在游泳池中游動(dòng)的全過程，并測(cè)試了當(dāng)機(jī)器人加速、轉(zhuǎn)彎或穩(wěn)步向前游動(dòng)時(shí)，背鰭折疊或展開時(shí)的效果。
他們發(fā)現(xiàn)，折疊或展開背鰭對(duì)速度、效率和線性加速度等因素有顯著影響。當(dāng)機(jī)器人轉(zhuǎn)身時(shí)，折疊背鰭能使其速度提高近33%。如果在機(jī)器人穩(wěn)步向前游動(dòng)時(shí)保持背鰭直立，其運(yùn)動(dòng)效率將降低13%，也會(huì)消耗更多能量。
林中路說，這些發(fā)現(xiàn)與自然界中金槍魚如何折疊背鰭以執(zhí)行快速精確的運(yùn)動(dòng)相吻合。例如在捕捉獵物時(shí)，金槍魚會(huì)折疊背鰭以快速游動(dòng)。
“通過設(shè)計(jì)類似的靈活控制系統(tǒng)，水下航行器可以改善它們的平衡和導(dǎo)航能力，以及高速游動(dòng)時(shí)也能敏捷地運(yùn)動(dòng)。”林中路說。
“了解金槍魚如此高水平的游泳表現(xiàn)本身就很有趣，因?yàn)閷?duì)于人類來說，最好的游泳運(yùn)動(dòng)員也無法做到?！泵绹e州西徹斯特大學(xué)的Frank Fish說。
Fish補(bǔ)充說，在金槍魚的游泳技能中，尾鰭可能比背鰭發(fā)揮更大的作用。“我們測(cè)量了太平洋藍(lán)鰭金槍魚的轉(zhuǎn)彎性能，發(fā)現(xiàn)這種性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于機(jī)器人?！盕ish說，這可能意味著，通過對(duì)尾鰭的深入研究，可以更好地改進(jìn)金槍魚機(jī)器人的性能。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.48550/arXiv.2407.18843
本文鏈接：http://www.3ypm.com.cn/news-8-6758-0.html機(jī)器人金槍魚揭示巧妙的鰭折疊機(jī)制
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