机器人水上行走

又一个受自然启发的工程案例:科学家创造出可以在水上行走的机器人

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正如签售书籍和为患者进行外科手术还不够一样,现在机器人也可以在水上行走了,这要归功于卡内基梅隆大学(CMU)的工程师。三年前作为一个课堂项目开始的项目最终变成了拥有四到十六条腿的昆虫状机械机器人。《IEEE机器人学汇刊》报道称,这些“虫子”长两到六英寸,重几克,可以在水面上快速移动。这些机器人被称为STRIDE,即surface tension based robotic insect dynamic explorer(基于表面张力的机器人昆虫动态探索者)的缩写,它们利用水的表面张力像水黾一样用细长的腿在水面上行走,而水黾正是这项挑战的灵感来源。

表面张力,这种产生美丽的水滴形状的力量,也抵抗表面破裂。这就是为什么,例如,可以将一根细缝纫针放在水面上的薄纸上,即使在纸张吸水下沉后,针也会保持漂浮状态。这与使船舶漂浮的浮力截然不同,因为与船舶不同,针的平均密度实际上大于水,如果轻轻向下推动,它就会下沉。如果针具有疏水性(或防水性)涂层(如不粘锅表面上的特氟龙),则此实验效果更佳。

CMU的水上行走机器人利用特氟龙涂层腿上的表面张力(腿部厚度为几百微米,长度为两到四英寸)将自己保持在水面上。为了移动和转弯,它们使用“划桨运动,[其中]在前冲程中,腿在空中,而在反向冲程中,腿在推动水[但]永远不会打破水面”,首席研究员梅廷·西蒂说。这与水黾的移动方式完全相同,尽管它们的最高速度约为每秒五英尺,而这些机器人的速度仅为每秒几英寸。


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是什么限制了它们的速度?尽管机器人的腿部泵动速度比昆虫快得多(每秒 40 次,而昆虫不超过 10 次),但冲程要短得多,而且机器人比昆虫重一百倍。“如果你缩小系统,你会变得更节能和灵活,”西蒂在谈到昆虫的卓越速度时说。

但更高的速度不是唯一的目标;水黾的一条腿可以支撑昆虫体重的 15 倍,而蚊子在水面上的一条腿可以支撑其体重的 23 倍——相比之下,机器人虫子的每条腿只能支撑大约一半的体重。此外,昆虫经常因雨水或湍流而沉入水面以下,但总能重新浮出水面。这两种令人印象深刻的能力都归功于它们腿上的微小绒毛,这些绒毛除了使它们的腿更具疏水性外,还可以捕获空气,起到类似浮力垫或救生衣的作用。西蒂正试图通过在他的机器人腿上使用壁虎脚上的绒毛来模仿这一特征;合成绒毛的微细加工可能会在稍后进行。他还试图使用非特氟龙涂层,这种涂层更具疏水性,就像 Gore-Tex 靴子上使用的涂层一样。

西蒂解释说,这些虫子“大规模生产真的很便宜,因为它们真的很简单”,这使它们成为多种应用的主要目标。除了它们的教育和娱乐价值外,这些机器人还可以用于对池塘和沼泽等静水生态系统进行环境监测。它们可以在浅至十分之一英寸的水面上行走,并携带传感器,将信息传输回岸边,充当最小侵入性探针,并开辟一种全新的窃听形式。

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