金枪鱼第一个与金枪鱼并驾齐驱的机器鱼

弗吉尼亚大学工程学院的机械工程师领导与哈佛大学的生物学家合作,创造了第一条被证明模仿活黄鳍金枪鱼的速度和运动的机器人鱼。

他们的同行评议的论文,“金枪鱼机器人技术:高频实验平台探索游泳的鱼的表现空间,”在2019年9月18日公布,在科学机器人,旁枝科学致力于在机器人科学和技术进步杂志工程。

该机器人金枪鱼项目由UVA工程系机械与航空航天工程系教授希拉里·巴特·史密斯(Hilary Bart-Smith)领导,是一项为期五年,耗资720万美元的多学科大学研究计划而诞生的,美国海军研究办公室授予巴特·史密斯为研究不同鱼类的快速,高效游泳。Bart-Smith的项目的目的是更好地理解鱼类推进的物理学,这项研究最终可以为下一代水下航行器的发展提供信息,该鱼类由类似鱼的系统驱动,而不是螺旋桨。

水下机器人在一系列应用中也很有用,例如国防,海洋资源勘探,基础设施检查和娱乐。

但是,受生物启发的推进系统在有人驾驶和无人驾驶交通工具上可以在公共和商业用途上可行之前,研究人员必须能够可靠地了解鱼类和其他生物如何在水中移动。

Bart-Smith说:“我们的目标不仅仅是建造一个机器人。我们真的想了解生物游泳的科学。”“我们的目标是建立某种东西,以便使生物游泳者如此快速和高效地检验假设。”

该团队首先需要研究高性能游泳者的生物力学。哈佛大学生物学教授乔治五世·劳德(George V. Lauder)及其研究小组精确地测量了黄鳍金枪鱼和鲭鱼的游泳动力学。使用该数据,Bart-Smith和她的团队,研究科学家Jianzhong“ Joe” Zhu和博士。学生卡尔·怀特(Carl White)建造了一个机器人,该机器人不仅可以像一条鱼一样在水下运动,而且还能以足够快的速度击败其尾巴,从而达到几乎相同的速度。

然后,他们将他们命名为“ Tunabot”的机器人与活体标本进行了比较。

“关于鱼类机器人的论文很多,但其中大多数没有太多生物学数据。因此,我认为该论文在将机器人工作和结合在一起的生物学数据的质量上都是独一无二的,”劳德说。

“我们在论文中呈现的结果如此奇妙的是,生物学和机器人平台之间的相似之处,不仅在游泳运动学方面,而且在速度,拍打频率与能量性能之间的关系方面也是如此。 ”,巴特·史密斯说。“这些比较使我们对我们的平台及其能够帮助我们更多地了解生物游泳物理学的能力充满信心。”

该团队的工作基于UVA Engineering在自治系统中的优势。机械和航空航天工程系是UVA Engineering网络物理系统链接实验室的参与者,该实验室重点研究智能城市,智能健康和包括自动驾驶汽车在内的自主系统。

Tunabot项目是海军研究办公室Bart-Smith的第二个竞争激烈的多学科大学研究计划的产物。2008年,巴特·史密斯(Bart-Smith)获得了650万美元的奖金,用于开发以蝠ta为模型的水下机器人。

Tunabot的测试在UVA Engineering的机械和航天工程大楼的一个大型实验室中进行,测试室占据了大约四分之一的空间,并在哈佛大学的类似设施中进行了测试。无眼,无鳍的复制鱼长约10英寸。生物等效物可以长到七英尺长。钓鱼绳可以使机器人保持稳定,而绿色的激光穿过塑料鱼的中线。激光测量机器人在每次制造尾巴时扫出的流体运动。随着储水箱中水流的加速,金枪鱼的尾巴和整个身体以快速弯曲的方式运动,类似于一条活的黄鳍金枪鱼游泳的方式。

“到目前为止,我们在鱼类机器人技术文献中看到,其他人确实制造了很多很棒的系统,但是在测量选择和表示方面,数据常常不一致。这只是目前机器人技术领域的现状。我们的论文Tunabot具有重要意义,因为我们的综合性能数据使该标准非常高。”怀特说。

劳德说,生物学与机器人技术之间的关系是循环的。“我认为我们在该领域拥有成功研究计划的一个原因是因为生物学家和机器人专家之间的巨大互动。”一个分支中的每个发现都会通知另一分支,这是一种教育反馈循环,这种循环不断推动科学和工程学的发展。

Bart-Smith说:“我们不认为生物学已发展为最佳解决方案。”“这些鱼经过很长的时间才能发展成一种能够使它们生存的解决方案,特别是可以食用,繁殖和不食用。不受这些要求的限制,我们可以专注于促进更高性能,更高速度的机制和功能。更高的效率。我们的最终目标是超越生物学。我们如何才能构建出看起来像生物学但比在海洋中看到的东西游得更快的东西?”