导读

水生生物借助流体特性（例如：浮力，升力，拖拽力）在水下快速移动，受到这点启发，加利福尼亚大学(University of California)的研究者提出了一种新型的仿生软体水下行走机器人。通过监测水流方向，该机器人改变身体形状来借助水流的流体特性产生比较大的拖拽力，极大的提升它在水底行走的运动性能。

作者：Riddick

身体可变形的软体水下机器人

水下机器人可以被用于水下环境进行监测和探测，以及水下生物的观察等。传统的水下机器人采用螺旋桨或者喷射的驱动方式，它们在开放水域有着很高的应用价值。但是相对于水下生物而言，这些机器人体积庞大并且伴有噪音，在小的空间内也很难前行。相较而言，利用仿生学设计的水下机器人（例如软体水下机器人）可以产生比较小的噪音，以及适应不同的水下环境。

水生生物（章鱼，管族类生物）等借助流体特性（例如：浮力，升力，拖拽力）在水下快速移动，受到这点启发，来自于加利福尼亚大学(University of California)的研究者提出了一种新型的仿生软体水下行走机器人。该机器人可以通过监测水流方向，可以通过改变身体形状来借助水流的流体特性产生比较大的拖拽力，或者减小水流带来的阻力，从而极大的提升它在水底行走的运动性能，真正做到随波逐流。

行走的小章鱼

研究者设计的水下机器人

具体来说，当该水下机器人（水下重量为2.87N）需要在水流中保持静止，不对称膨胀的主体可以将水流作用域身体上的阻滞力降低40％（从0.52 N到0.31 N）当机器人要顺着水流行走时，充气的身体比平整的身体快16%。

机器人的结构设计

这款机器人基于气动/液压软体驱动器技术。如下图展示了机器人的结构设计。可形变身体和4条腿安装于一个刚性的支架上。腿部由3d打印的弹性材料制成,每条腿有三个腔体，从而控制向不同的方向弯曲。机器人的身体变形部分是由两个充气小袋组成的。机器人的腿部连接到传统气泵，由电磁阀控制，机器人的身体连接到注射泵。

机器人的结构设计

机器人的驱动设计

当我们对机器人的可变形身体的气袋进行充气/放气时，机器人的身体有三种状态，对称膨胀的身体，单侧膨胀的身体，以及平整的身体。根据流体力学的基本知识，在水中运动的物体受到的水流的拖拽力/阻力，与物体本身的形状直接相关，所以机器人正是通过调整身体的形状，来实现利用水流前进的目的。

机器人身体形变的三种状态

实验检测

研究者指出，改变机器人身体形状可以显著影响流体动力。下图给出了水流的方向（向右）。理论上，在平整的状态下，水对机器人的拖拽力最小，在对称膨胀的状态下，拖拽力最大。同时，当机器人在前侧充气状态下，水对机器人的升力最大，在后侧充气时，受到的升力最小。

不同的身体形状带来的拖拽力效果

研究者设计了一个简易水槽，然后向机器人方向产生水流，并且用两个测速仪分别监测机器人前方/后方的水流速度，同时监测机器人自身的运动速度，以此来验证他们的设计有效性。

实验设备

水流经过对称形状身体的图像

水流经过非对称膨胀身体的图像

在静水中机器人的行走速度为15mm/s，并且由于行走速度过慢，不同身体形状对于水的阻力的影响不明显。当机器人顺着水流的方向行走时，身体的变形对于行走速度的影响变得十分显著，机器人在平整状态下行走速度最慢，在对称膨胀的状态下有着最大的拖拽力以及最快的速度，在非对称膨胀状态下有着一个中等的速度。

顺流行走的水下机器人

研究者们还在机器人身上添加了一个水流传感器，能够让其感知水流方向，从而改变身体形状来更好的适应当前的水流。如下图，机器人初始形状为沿着水流方向非对称膨胀，当机器人监测到水流速度超过某一个特定的阈值，机器人开始向后滑动。随后机器人便调整身体为平整状态，从而减小了水流的作用并且停止滑动。这个实验证明机器人可以有效的通过调整身体来适应不同的流速和流向的变化。

机器人面对水流调整身体

逆着水流，机器人在身体膨胀状态下无法行走

顺着水流，机器人在身体平整状态下可以行走

小结

研究者通过初步试验证实了他们的想法是切实有效的，虽然机器人的结构还比较简单，处于一个概念的阶段，但是可以看得到它有很高的潜在应用价值，包括可以帮助水下机器人在水流中保持稳定，或者协助行走，这种概念也可以移驾到别的水下机器人系统上，通过软体驱动器来形成一些连续的曲面和水流发生交互。在未来的研究中，研究者计划更加准确的建模，以及加入更多的反馈控制，来制造更可靠的水下机器人系统。

通过改变机器人的身体形状来适应水流，或者利用水流，这个想法真的是新奇而又有效。研究者们通过观察生物对于环境的适应能力，结合专业知识，为各种机器人提供多种设计方案。小编认为这个研究正是很巧妙的结合了仿生学与实际应用的一个例子。希望这篇报道能够激发同样对生活中各种事物充满好奇心的你！

转自：机器人大讲堂

文章信息：

Ishida,M., Drotman, D., Shih, B., Hermes, M., Luhar, M., & Tolley, M. T. (2019).Morphing Structure for Changing Hydrodynamic Characteristics of a SoftUnderwater Walking Robot. IEEE Robotics and Automation Letters.

文章链接：

https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/8772123