美科學家研究魚如何遊泳 解決機器魚難題

2021-01-10 中國青年網

　　網易科技訊7月1日消息，據《連線》網站報導，從動物身上獲得靈感而設計的機器人家族已經有了足夠多的種類，甚至可以建立起一個機器人動物園。目前出現的動物機器人有：獵豹機器人、海豹機器人、黃蜂機器人和霸王龍機器人。但就實用性、優美和在外星球海洋中尋找地外生命的潛在能力上，沒有哪種機器人可以與能像魚一樣遊泳的機器人媲美。

　　但問題是，設計水中機器人的專家會無法想出如何解決像魚一樣遊泳的技術。雖然早在上世紀90年代初，首個機器人魚就已經下水，這就是麻省理工的「robotuna（機器人金槍魚）」。但儘管此後技術有了很大改進，但魚遊泳的原理依然搞不清。幸運的是，這一切正在改變。今天一個物理工程師小組在《Chaos》雜誌上公布了一種計算魚遊泳方式並建模的新技術。

　　該小組得出的結論是，遊泳的複雜程度超越人們的想像。哈佛大學動物運動學專家和該論文的聯合作者馬蒂亞·加左拉（Mattia Gazzola）表示：「這是很奇怪的運動方式，每個人都多少知道些魚怎麼遊泳的，但真正的機制原理實際上相當精妙。」魚在水裡是靠製作「結構」運動——這種結構就是三維流體渦（whorls of fluid）。魚用身體中凹下的、彎曲的部分捕捉渦流然後用力推，最後用尾巴將渦流甩掉，向前快速遊動。

　　研究人員還無法量化渦流推動背後的力。但研究起來著實不容易。未參與當前研究的加州理工學院生物推進實驗室主任約翰·達比利（John Dabiri）表示：「可以在風洞中放入一個飛機模型，然後安裝壓力傳感器。但在動物身上我們一般沒有這種實驗能力。」加左拉的小組通過對魚水互動建模來解決這個問題。新的研究瞄準他們製作的電腦化魚和渦流之間的動能交換，用數字充實他們以前的理論工作。量化這些球（被稱為拉格朗日相關結構）運動的研究允許機器人設計者進行逆向工程。

　　科學上的任何進步都是好事。魚是世界上最會遊泳的生物，在速度和能量效率上遠超機器。阿拉斯加大學安克雷奇分校機械工程師彭及風（Jifeng Peng）表示，拉格朗日結構是很好的研究路線。他稱，下一步是用活體魚來證實這種模型，「魚不會完全按照模型來運動」。（木秀林）

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