文｜《中國科學(xué)報(bào)》記者 沈春蕾
萬物皆有啟發(fā)，無論是迅疾的獵豹，還是一枚小小的發(fā)卡——而正是這兩個風(fēng)馬牛不相及的事物，給同一個研究團(tuán)隊(duì)先后帶來了靈感。
(資料圖片)
研究過程很美好，但投稿卻不太順利。盡管研究成果遭遇頂刊婉拒，但論文一作赤銀鼎并沒有感到懊惱和焦慮，反而發(fā)出這樣的感嘆：“我很享受研究和投稿的過程。”最終，該研究論文11月18日發(fā)表在Science Advances上，文章介紹了一款可以蝶泳的軟體機(jī)器人，并且被Nature亮點(diǎn)報(bào)道。
赤銀鼎最新論文
Nature亮點(diǎn)報(bào)道
“相比目前同類軟體機(jī)器人每秒最快可以游大約1個身長，我們研制的軟體機(jī)器人每秒可以游3.74個身長，接近海豚的相對游速，并且游動過程中還很省力。”
準(zhǔn)備這篇論文的時候，赤銀鼎是美國北卡羅萊納州立大學(xué)機(jī)械航空系副教授尹杰的博士研究生，尹杰也是論文的通訊作者。如今，赤銀鼎正在賓夕法尼亞大學(xué)做博士后，繼續(xù)開展他喜歡的軟體機(jī)器人研究。
在赤銀鼎看來，研究本身的意義遠(yuǎn)比發(fā)頂刊來得重要。對此，他的導(dǎo)師尹杰非常贊同，并告訴《中國科學(xué)報(bào)》：“投稿的過程中我們收到了很多有價值的意見，這有利于我們進(jìn)一步完善現(xiàn)有的研究。”
赤銀鼎（受訪者供圖）
來自女生發(fā)卡的靈感
“我們希望研發(fā)出像魔鬼魚一樣的軟體機(jī)器人，不僅游泳速度快，還更節(jié)能省力。”
尹杰團(tuán)隊(duì)先后設(shè)計(jì)了兩種蝶泳機(jī)器人：一種注重速度，平均游速可以達(dá)到每秒3.74個身長；一種注重靈活性，可以向右或向左快速轉(zhuǎn)彎，平均游速能達(dá)到每秒1.7個身長。
“當(dāng)動物在游泳或飛行時，斯特勞哈爾數(shù)（評估能量效率的無量綱常數(shù)）在0.2～0.4之間時，會出現(xiàn)最佳的推進(jìn)效能。”赤銀鼎介紹，“我們設(shè)計(jì)的兩款蝶泳機(jī)器人的斯特勞哈爾數(shù)都在這個范圍內(nèi)。”
為什么稱其為蝶泳軟體機(jī)器人呢？秘密武器在于翅膀。
發(fā)卡啟發(fā)的蝶泳軟機(jī)器人設(shè)計(jì)圖（受訪者供圖）
“蝶泳軟體機(jī)器人翅膀的設(shè)計(jì)靈感來自女生常用的按扣發(fā)卡。”赤銀鼎指出，按動發(fā)卡的兩個撥片，發(fā)出啪嗒一聲后，發(fā)卡可以跳動到另一個穩(wěn)定的狀態(tài)中，軟體機(jī)器人的翅膀也可以實(shí)現(xiàn)這樣的“雙穩(wěn)態(tài)”。
“我們將模擬發(fā)卡的雙穩(wěn)態(tài)翅膀附著在柔軟的硅膠機(jī)身上，通過向機(jī)身充入氣體可以控制翅膀在兩種穩(wěn)定狀態(tài)之間切換。”赤銀鼎描述道，“當(dāng)硅膠機(jī)身膨脹和收縮時，軟體機(jī)器人的身體也會發(fā)生彎曲，使得翅膀出現(xiàn)靈活的擺動，就好像蝶泳者在來回拍打水面后向前游動。”
蝶泳軟機(jī)器人實(shí)物圖以及泳姿（受訪者供圖）
“以前研發(fā)的這類軟體機(jī)器人大多使用電機(jī)直接為機(jī)翼提供動力。”尹杰說，“我們簡化了設(shè)計(jì)，降低了重量，保證其在快速游動同時還能更省力。”
另外，尹杰團(tuán)隊(duì)在蝶泳軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)中還采用了兩個并排連接的驅(qū)動單元，可以操控兩側(cè)的機(jī)翼，當(dāng)控制一側(cè)機(jī)翼凸跳時，機(jī)身就能夠進(jìn)行急轉(zhuǎn)彎。
曾從獵豹身上獲得研究靈感
大概在兩年前，尹杰團(tuán)隊(duì)就已研發(fā)出一款軟體機(jī)器人——不僅可以像獵豹一樣離地奔跑，也可以輕松抓取物體，還有足夠大的力量可以舉起重物。
這款軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)的靈感來自陸地上奔跑速度最快的動物——獵豹。
獵豹啟發(fā)軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)圖 （2020論文截圖）
“獵豹可以通過彎曲脊柱來獲得速度和力量。”尹杰說，“我們受此啟發(fā)，研制的軟體機(jī)器人可以通過將空氣泵入軟硅膠機(jī)器人的機(jī)身，實(shí)現(xiàn)在兩種穩(wěn)定狀態(tài)之間快速切換，讓其在幾十毫秒內(nèi)快速存儲和釋放能量，從而快速對地面施加力實(shí)現(xiàn)跑跳。”
尹杰團(tuán)隊(duì)給軟體機(jī)器人起了一個名字叫LEAP軟體機(jī)器人。尹杰介紹，相比當(dāng)時報(bào)道最快的軟體機(jī)器人能以每秒0.8倍體長的速度在平坦表面上移動，LEAP機(jī)器人能在3Hz的低驅(qū)動頻率下以每秒2.7倍體長的速度實(shí)現(xiàn)快速“奔跑”。
在研究中，尹杰團(tuán)隊(duì)還通過“鰭”的設(shè)計(jì)，提高了LEAP機(jī)器人的游泳速度，使其能夠以每秒0.78個身長的速度游泳。而當(dāng)時已報(bào)道的游泳軟體機(jī)器人的最快速度是每秒0.7個身長。
在上篇論文中，赤銀鼎是第二作者。在那之后，他開始思考能否在原來設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，讓軟體機(jī)器人速度更快、效率更高。
從獵豹到發(fā)卡，看似毫不相關(guān)，但赤銀鼎發(fā)現(xiàn)了兩者很重要的關(guān)聯(lián)——雙穩(wěn)態(tài)?；诖?，他做了進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)，不僅明顯提升了軟體機(jī)器人的游泳速度，還使其可以更高效省力。
不過，尹杰也指出了這兩項(xiàng)研究的共同缺陷：“我們的軟體機(jī)器人需要由細(xì)長的管子拴住的，這些管子可以將空氣泵入機(jī)體。未來，我們希望可以研制一款沒有牽引、不受束縛的自主機(jī)器人。”
錯失頂刊收獲Nature亮點(diǎn)報(bào)道
這篇論文的投稿經(jīng)歷可謂一波三折。
“最開始我們選擇的是機(jī)器人領(lǐng)域的頂刊Science Robotics，并且進(jìn)入送審階段。雖然審稿人都覺得研究很有意思，并承認(rèn)設(shè)計(jì)非常有創(chuàng)新性，但最后還是被拒稿了。”尹杰回憶道，“后來我們選擇投Nature，審稿人覺得我們的驅(qū)動設(shè)計(jì)還有待改進(jìn)。但好消息是Nature主編非常認(rèn)可我們的研究，并表示論文發(fā)表后可以給予亮點(diǎn)報(bào)道。”
雖然錯失發(fā)表領(lǐng)域內(nèi)頂刊的機(jī)會，但赤銀鼎并沒有很懊惱。他告訴《中國科學(xué)報(bào)》：“投稿的過程讓我得到了更多有價值的建議，可以幫助我們更好地改進(jìn)設(shè)計(jì)。”
一個好的靈感在付諸實(shí)現(xiàn)的過程中往往頗具挑戰(zhàn)。研究過程中所遇到的困難也讓赤銀鼎覺得十分有趣：“發(fā)卡肯定不能游泳，但發(fā)卡提供了一個雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，而且發(fā)卡很輕。受此啟發(fā)，我們對軟體機(jī)器人的驅(qū)動和結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，嘗試了不同的驅(qū)動模式、骨架結(jié)構(gòu)以及塑料材料，最后研制出的軟體機(jī)器人不僅會蝶泳，重量還很輕，僅2.8g。”
“從設(shè)計(jì)到投稿，這是一個不斷學(xué)習(xí)提升的過程，所以讓我覺得很享受。”赤銀鼎希望自己可以在這個領(lǐng)域繼續(xù)深耕。
談及應(yīng)用，尹杰透露，蝶泳軟體機(jī)器人可以克服阻力在水里靈活穿梭，有望用于海面油污清理和富營養(yǎng)化治理，成為環(huán)保小幫手。
標(biāo)簽： 軟體機(jī)器人
