仿金枪鱼机器人或为更灵活高效的水下机器人和无人机铺路
水下游动的机器人并不新鲜。例如，2021年初，卡内基梅隆大学就为其著名的蛇形机器人加装了涡轮和推进器，使其能够进行水上运动。但很少有机器人能像真正的鱼那样优雅、迅速、轻松地游动。这并非因为科学家们没有尝试制造能做到这一点的机器人。
水下机器人可用于探索深海中的各种物体，从沉船到新的生命形式。然而，它们存在一些局限。例如，它们往往只能以一种速度运动，而操作人员通常必须把它们投放到目标地点附近。水下推进器——主要是水下滑翔机——速度很快，但无法接近需要仔细研究的目标。
真正需要的是一种水下机器人，它能够游到遥远的地方，然后减速进行更细致的观察。但这比表面上看起来要复杂得多。
弗吉尼亚大学的研究人员提出了解决方案，可以制造一种机器人装置，模仿鱼尾的刚度完成上述所有功能，同时他们还发现并应用了一个优美简洁的数学公式。最终研制出的机器人，其加速和减速能力几乎与真鱼一样出色。他们将研究成果发表在Science Robotics上。
鱼类之谜已被破解
“单一的尾部刚度就像自行车只有一个挡位，你只能在一种速度下高效运行。这就好比在旧金山骑一辆定速自行车，没骑几个街区你就会精疲力竭”
昆恩和他的研究合作者钟强提出，鱼会改变尾部刚度，以满足频繁变化的速度需求。遗憾的是，在鱼游动时很难证实或测量这一点，因此人们一直不清楚在不同速度下高效游动所需的刚度。研究人员结合流体动力学和生物力学，建立了一个可以给出答案的模型，正如钟强所说，它“揭示了一个长期存在的谜团：尾部刚度如何影响游动效率”。
谜题的答案出人意料地优雅。“令人惊讶。所有数学推导得出的结果很简单：刚度应随游动速度的平方增加，”昆恩表示。
金枪鱼通过测试
为了验证他们的结论，科学家们制造了一台类似金枪鱼的水下机器人，其内置可编程人工肌腱，当它在测试水槽中移动时，可借助该肌腱在不同速度下调节尾部刚度。
“我们的机器人突然能够在更宽的速度范围内游动，所消耗的能量几乎只有尾部刚度固定的同款机器人的一半。这一改进真的非常显著”
钟强赞赏他们的跨学科方法：“我们不仅专注于理论分析，还提供了刚度调节的实用指南。”研究人员提出的可调刚度策略已在真实的游动任务中证明有效，机器鱼能够同时达到高速度和高游动效率。
通过可调金枪鱼验证了理论后，科学家们有意将尾部技术应用于从蝌蚪到海豚大小的水下机器人。目前，昆恩和钟强正在研发一种基于鳐鱼的波动式机器人。
“鱼类能在很宽的速度范围内保持很高的游动效率。这一成就的关键在于它们的柔韧性，但就性能而言，即使是柔性机器鱼也无法追上真鱼。<…> 我们建立了一个模型，解释了刚度调节如何以及为何影响性能。我们表明，为实现最高效率，肌肉张力应与游动速度的平方成比例，从而为类鱼机器人提供了一种简单的调节策略。在类似金枪鱼的频率和速度（0至6赫兹，0至2个体长每秒）下，刚度调节可使游动效率翻倍。节能效果随频率增加而提高，这表明高频类鱼机器人最能从刚度调节中受益”，研究材料中写道。
“我认为我们近期不会缺少项目。我们研究过的每一种水生动物都给了我们新的想法，帮助我们打造更完善的游动机器人。而大海里还有很多鱼。”
有朝一日，这项研究可能催生一类无人机，它们能够快速飞抵遥远地点，然后减速对该区域进行探测。类似于水下蛇形机器人，美国陆军或许可以用它来检查舰船是否受损。
