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如何研发出能在极端水下环境工作的机器人?科学家向海星“取经”

Winnie Lee

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海洋中的生物丰富多样,其中的许多都能给科学家带来灵感。

海星是一种具有分散神经系统特征的简单生物,它提供了对水动力的高级适应——水压力和水流产生的力量。

南加州大学维特比工程学院的研究人员发现,海星可以通过改变形状,有效地附着在极端水动力载荷下的表面上。

研究人员,包括航空航天的Henry Salvatori、机械工程的Mitul Luhar和博士生Mark Hermes,发现海星由于其形状会产生“下压力”。

这意味着海星不是被气流提升,而是被向下推向它们所在的岩石或海床表面。

Luhar说,海星具有令人难以置信的适应性。

“当有高海浪活动和高水力时,海星会变得更瘦,变得更低。当海星被运送到一个受保护的环境中,水动力较弱时,它们会弹出一点,它们的截面会变大。”

Luhar说,了解这种形状的变化可以帮助设计出同样能适应极端水动力环境的水下机器人。

研究人员通过计算模型和3d打印模型测试了对海星形状及其对水中力的影响的理解。

“我们马上注意到的是,”Luhar说,“海星不是被从它们所在的表面拉走,而是被往下推——这仅仅是因为它们的形状。”

Luhar说,研究人员认为,即使在最极端的条件下,这种下压力效应也将是海星——以及未来的水下机器人——能够附着在海床或岩石上,而不是被抬离它的关键。

研究人员还测试了其他形状。

Luhar说,如果使用圆锥体或圆顶,水就会随着形状的轮廓向上然后向下流动。

当水流最终向下推动时,就会产生一个大小相等且方向相反的力,从而产生整体升力。

海星形状类似于三角形的楔形物,水流向上流动,两边的角度就像一个斜坡,将水从海星表面推开。

“当海星将水流推开时,水流会产生一个大小相等、方向相反的力,向海星施加压力,”Luhar说。

“锥形或球形不会产生同样的‘斜坡效应’,因此不会产生类似的下压力。”

Luhar说,为了获得对力场的完整三维理解,他们使用了计算模型来进一步阐明他们所看到的3d打印形状。

Luhar说,在他们考虑的形状中,球形穹顶在升力和下压力方面表现最差,也就是说,它在粘住底面或地面方面表现最差。

下一步是研究一种可以实时变形的软结构,Luhar说。Hermes目前正在开发这种结构。

Luhar说,其设计的关键是允许它在水通道中响应,从而使其能够根据需要调整形状,保持与岩石或海床的粘附,或交替地,让它随着水流上升。

“假设水改变了速度,”Luhar说,“我们可以确定哪种形状最好,机器人可以相应地改变形状。”

Luhar说,最终的想法是了解如何开发一种与水流一起工作的机器人,而不是与水流搏斗。

“如果我们能充分利用周围的环境,而不是与之斗争,我们也能创造更多的效率和性能收益,”Luhar说。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

参考资料:

https://www.sciencedaily.com/releases/2021/02/210226103816.htm


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