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金槍魚機(jī)器人展示了在水中優(yōu)雅滑行的藝術(shù)。它看起來像一條魚，且能像魚一樣游動(dòng)，但它是一個(gè)能啟發(fā)未來水下機(jī)器人的模型。

弗吉尼亞大學(xué)（UVA）的研究人員發(fā)明了一種以金槍魚（tuna）為靈感的新型機(jī)器人，它長(zhǎng)近14英寸（356毫米），可以像真實(shí)金槍魚一樣扇動(dòng)尾巴（每秒7次），并以每小時(shí)1.5英里的速度（1.3節(jié)），即每秒2倍體長(zhǎng)的速度游進(jìn)。

該項(xiàng)發(fā)明的團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)機(jī)器人》上發(fā)表的一篇新論文中詳細(xì)介紹了他們是如何制造這種仿金槍魚機(jī)器人的——這種機(jī)器人可以通過繃緊或放松尾關(guān)節(jié)來以不同的速度運(yùn)動(dòng)。這種機(jī)構(gòu)使金槍魚機(jī)器人在達(dá)到高速的同時(shí)也節(jié)省了能量，這種方法將來可能有助于改進(jìn)游泳機(jī)器人甚至水下航行器。

許多機(jī)器人研究人員一直在試驗(yàn)各自的機(jī)器魚。這篇論文的第一作者、弗吉尼亞大學(xué)的博士后研究員Qiang Zhong說：“我們的不同之處在于，我們通過研究（真實(shí)魚的）物理特性，而不是僅僅模仿形狀或結(jié)構(gòu)，來建造最接近真實(shí)的機(jī)器魚。”該團(tuán)隊(duì)分析了真實(shí)金槍魚的視頻，推導(dǎo)出其運(yùn)動(dòng)的流動(dòng)力學(xué)特性，然后用于指導(dǎo)他們的設(shè)計(jì)。

鑒于魚是天生的游泳高手，水下機(jī)器人的設(shè)計(jì)越來越多地模仿魚的身體結(jié)構(gòu)。科學(xué)家們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整尾巴的剛度，機(jī)器人可以更高效地游進(jìn)。

為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)高速?zèng)_刺，真實(shí)魚的尾部肌肉可變硬；為了獲得更好的低速巡航和機(jī)動(dòng)性能，它也可以松弛。然而，許多以魚為靈感的機(jī)器人不得不妥協(xié)——它們的尾巴被設(shè)計(jì)為一種剛度，這顯然并非在所有情況下都是理想的。

弗吉尼亞大學(xué)的Dan Quinn教授說：“單一尾部剛度就像自行車上只有一組齒輪比，僅能在一個(gè)速度上實(shí)現(xiàn)高效。這就像騎著一輛固定檔位的自行車穿過舊金山，騎過幾個(gè)街區(qū)就精疲力竭了。”

魚不僅利用它們的肌肉來產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，還可通過調(diào)整它們尾巴的柔韌性或剛度來實(shí)現(xiàn)高效游動(dòng)。通過調(diào)整尾巴的剛度，使它們可以像一片紙一樣松軟，也可以像一根樹枝一樣堅(jiān)硬。這類似于汽車根據(jù)不同的行駛速度換檔，以提高行駛效率。

很難確定魚何時(shí)和是否真的改變了它們尾巴的剛度。Quinn與博士后研究生Zhong Qiang合作，轉(zhuǎn)向用流體動(dòng)力學(xué)和生物力學(xué)來推導(dǎo)理論模型。簡(jiǎn)而言之，該模型表明，尾部剛度應(yīng)隨游速的平方而增加。

金槍魚的肌腱貫穿整個(gè)身體，當(dāng)它們對(duì)這些肌腱施加力量時(shí)，它們可以使尾巴變硬以游得更快。研究小組試圖用彈簧和電機(jī)來模仿這種肌肉-肌腱系統(tǒng)。

Zhong說：“我們所做的研究是試圖理解魚的比例理論。我們不僅僅是在制造像魚一樣的東西，我們更希望從魚身上獲得靈感，理解原理，并將該系統(tǒng)應(yīng)用到我們想要的任何東西上。”

他們最終的發(fā)明是1個(gè)帶有高頻作動(dòng)器和1個(gè)彈簧系統(tǒng)的簡(jiǎn)化機(jī)器魚，該系統(tǒng)將彈簧的力轉(zhuǎn)換為尾部關(guān)節(jié)的剛度。

為了讓他們的理論在現(xiàn)實(shí)世界中得到試驗(yàn)，科學(xué)家們制造了一個(gè)名為AutoTuna的金槍魚機(jī)器人。該裝置基于尾部剛度模型，利用可編程肌腱，在實(shí)驗(yàn)室水槽中游動(dòng)時(shí)自動(dòng)改變尾部的剛度。值得注意的是，它可以比一個(gè)相同大小、固定尾部剛度的機(jī)器人在更大的速度范圍內(nèi)游動(dòng)，而消耗的能量幾乎是后者的一半。

金槍魚機(jī)器人屬于生物仿生或仿生機(jī)器人領(lǐng)域的“利基”（niche）家族（譯注：“利基”是指針對(duì)企業(yè)的優(yōu)勢(shì)細(xì)分出的市場(chǎng)，這類市場(chǎng)規(guī)模有限，且缺乏成熟的服務(wù)。一般特指針對(duì)性和專業(yè)性很強(qiáng)、有盈利基礎(chǔ)的產(chǎn)品市場(chǎng)。企業(yè)在確定利基市場(chǎng)后常用更加專業(yè)化的經(jīng)營(yíng)來獲取最大收益，以此為手段在市場(chǎng)夾縫中尋求出路），即模仿動(dòng)物的機(jī)器人。之前的機(jī)器魚有受章魚、蝠鲼、鰩魚、獵豹、鴿子和蝙蝠啟發(fā)的機(jī)器人。越來越多的研究人員希望大自然能引導(dǎo)人們制造出更好的機(jī)器人。事實(shí)上，來自弗吉尼亞大學(xué)的另一個(gè)團(tuán)隊(duì)在2019年的《科學(xué)機(jī)器人》上介紹了他們的金槍魚機(jī)器人（見后文）。

一些軟體機(jī)器人還可以通過彈簧、作動(dòng)器、人工肌腱和電機(jī)等機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)自身的剛度。柔韌性可調(diào)的軟體機(jī)器人是最能平穩(wěn)變速的機(jī)器人。

弗吉尼亞大學(xué)機(jī)械和航空航天工程助理教授、論文作者之一Daniel Quinn說：“在行走機(jī)器人等其它機(jī)器人中，人們也提出了剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，所以已有一些先例。我們須考慮的是如何把它放進(jìn)魚體內(nèi)?！?/p>

Quinn說：“人們對(duì)機(jī)器魚的興趣尤其源于這樣一個(gè)事實(shí)：與我們目前已有的最好的水下航行器相比，魚的機(jī)動(dòng)性很強(qiáng)；而水下航行器相當(dāng)笨拙，基本上是以一種巡航速度直航。它們通過控制螺旋槳來定位，但它們并不是真的被設(shè)計(jì)成可以像魚那樣繞圈。你可能需要從沿海觀察哨出發(fā)，快速游到幾英里外的漏油處，然后減速，做一些急轉(zhuǎn)彎，進(jìn)行某些測(cè)量，或者原地靜止不動(dòng)。目前，我們的航行器在這種多模式任務(wù)中非常糟糕?！?/p>

此外，在淺水區(qū)工作時(shí)，螺旋槳很容易被海藻和其它海洋泥狀物質(zhì)纏住。而仿魚航行器不僅可在水下滑翔，而且它的工作頻率比螺旋槳要低，因此它們產(chǎn)生的水下噪聲相對(duì)要低得多?！斑@樣更環(huán)保，特別是如果你想進(jìn)行一些海洋資源調(diào)查，以及在珊瑚或其它魚類附近游動(dòng)時(shí)”。

這項(xiàng)研究的部分資金由海軍研究辦公室（Office of Naval Research，ONR）和國家科學(xué)基金會(huì)（National Science Foundation，NSF）提供，它可能會(huì)引出下一代水下航行器。

金槍魚機(jī)器人被分為2段：產(chǎn)生阻力的“頭”和產(chǎn)生推力的“尾”。在尾巴的前部有一個(gè)作動(dòng)器，通過在整個(gè)尾關(guān)節(jié)產(chǎn)生來回?cái)[動(dòng)來為它提供動(dòng)力。Quinn解釋道：“金槍魚機(jī)器人被懸掛在一個(gè)支架下，并安裝在空氣套管（air bushings）平臺(tái)上，這樣它就可以像在空氣曲棍球桌上一樣四處滑動(dòng)。這意味著我們可以研究這種魚是如何自主運(yùn)動(dòng)的，但同時(shí)我們可以進(jìn)行非常詳細(xì)的測(cè)量，因?yàn)樗⒎峭耆皇苁`?！?strong>

對(duì)機(jī)器魚模型的不同部位(頭、尾框、尾殼、尾關(guān)節(jié)、尾鰭、尾鰭連接器)進(jìn)行3D打印，然后組裝。除尾關(guān)節(jié)外，每個(gè)部件都用可防水的尼龍3D打印。尾框與外殼之間的縫隙用硅膠密封。尾關(guān)節(jié)和尾部連接器用可承受應(yīng)力的不銹鋼3D打印。

金槍魚機(jī)器人由一套自動(dòng)化程序代碼控制。這意味著機(jī)器魚可根據(jù)環(huán)境條件實(shí)時(shí)閉環(huán)調(diào)整自己的游動(dòng)方式；金槍魚在水洞中進(jìn)行了測(cè)試，水洞就像游泳機(jī)器人的跑步機(jī)。Quinn解釋道：“我們只是調(diào)快速度，隨著水洞模擬的流速越來越快，它也不得不游得越來越快?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)派金槍魚機(jī)器人執(zhí)行“任務(wù)”（mission），它就像一條蛇，緩慢地從慢速上升到快速，沖刺650英尺（195米）。

雖然最終的結(jié)果令人印象深刻，但金槍魚機(jī)器人仍然只是該團(tuán)隊(duì)希望建立的技術(shù)的早期迭代。Zhong說：“你可以看到我們的尾巴還是僵硬的，但真實(shí)魚的尾巴是由肌肉構(gòu)成的，它們幾乎有無限自由度?！?/p>

這是魚如此柔韌的關(guān)鍵原因之一。他指出：“目前我們系統(tǒng)的能力是有限的，我們還無法像海星或脆弱的魚那樣真正產(chǎn)生想要的機(jī)動(dòng)。要做到這一點(diǎn)，需要增強(qiáng)和提高自由度。未來，我們希望使用人工肌肉等智能材料來控制整個(gè)尾部的剛度。如果人工肌肉足夠強(qiáng)大，可以把它擴(kuò)展到整條魚。這將使我們的魚更像一條真實(shí)的魚，并減少由其它機(jī)械部件產(chǎn)生的噪聲。這將使我們的系統(tǒng)更接近自然系統(tǒng)?！?/p>

研究人員現(xiàn)在正在研究如何將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到基于其它類型游泳動(dòng)物的機(jī)器人上。

Quinn說：“像我們這樣的剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以很容易小型化，這樣它們就可以支持各種尺度和形狀的機(jī)器人。更困難的部分是要弄清楚機(jī)器人在不同游泳頻率和速度下應(yīng)該有多硬。我們用物理模型和水槽試驗(yàn)來開發(fā)用于自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)器人尾部剛度的控制律。如果你將機(jī)器人做得更大（如像海豚一樣的機(jī)器人）或切換到不同的游泳類型（如像黃貂魚（stingray）一樣的機(jī)器人），則該模型就需重新校準(zhǔn)，但這是完全可行的?！?/p>

2019年，弗吉尼亞大學(xué)和哈佛大學(xué)的機(jī)械工程師合作開發(fā)了一臺(tái)被稱為Tunabot的機(jī)器金槍魚，主要模仿黃鰭金槍魚和相關(guān)的大西洋鯖魚。

該團(tuán)隊(duì)首先研究了高性能游泳生物的生物力學(xué)。哈佛大學(xué)生物學(xué)教授George V. Lauder和他的研究團(tuán)隊(duì)精確測(cè)量了黃鰭金槍魚和鯖魚（mackerel）的游泳動(dòng)力學(xué)。利用這些數(shù)據(jù)，Bart-Smith和她的團(tuán)隊(duì)、研究科學(xué)家Jianzhong和博士生Carl White制造了一個(gè)機(jī)器人，它不僅像魚一樣在水下運(yùn)動(dòng)，而且拍打尾巴的速度足夠快，可以達(dá)到幾乎與魚類相同的速度。與長(zhǎng)達(dá)7英尺（2.1米）的真實(shí)金槍魚相比，縮比機(jī)器魚長(zhǎng)約10英寸（25.4厘米）。

然后，他們將這種名為Tunabot與活體標(biāo)本進(jìn)行了比較。

Lauder說：“有很多關(guān)于機(jī)器魚的論文，但其中大多數(shù)都沒有太多的生物數(shù)據(jù)。所以我們的論文是獨(dú)一無二的，它將機(jī)器人工作和生物數(shù)據(jù)結(jié)合在一起。”

Bart-Smith說：“我們?cè)谡撐闹姓故镜慕Y(jié)果的奇妙之處在于生物學(xué)和機(jī)器人平臺(tái)間的相似性，不僅是在游泳運(yùn)動(dòng)學(xué)方面，而且在速度、尾拍頻率和能量性能之間的關(guān)系方面。這些比較使我們對(duì)我們的平臺(tái)更有信心，它有能力幫助我們更多地理解生物游泳機(jī)理。”

Tunabot的測(cè)試在弗吉尼亞大學(xué)工程學(xué)院機(jī)械和航空航天工程大樓的一個(gè)大型實(shí)驗(yàn)室中的一個(gè)約占房間四分之一的流動(dòng)水槽中和在哈佛大學(xué)的一個(gè)類似設(shè)施中進(jìn)行。用一條釣魚線使這條無眼、無鰭的機(jī)器魚保持穩(wěn)定，同時(shí)一束綠色光穿過塑料魚的中線。光測(cè)量機(jī)器魚在每次擺動(dòng)魚尾時(shí)所產(chǎn)生的流體運(yùn)動(dòng)。隨著水槽中水流加速，Tunabot的尾巴和整個(gè)身體以快速彎曲的模式運(yùn)動(dòng)，類似于活體黃鰭金槍魚的游泳方式。

當(dāng)Tunabot被系在2所大學(xué)的流動(dòng)水槽中時(shí)，基于光的流體運(yùn)動(dòng)分析表明，它能夠以與同等大小的真正黃鰭魚相當(dāng)?shù)淖畲笏俣扔斡尽蠹s每秒4倍體長(zhǎng)。

此外，它通過快速彎曲其靈活的身體來做到這一點(diǎn)，就像活體金槍魚一樣。水槽測(cè)試表明，如果配備一個(gè)10瓦特小時(shí)的電池包，機(jī)器人就能以0.4米/秒的速度游大約9千米的距離。如果速度增加到1米/秒，航程將降到4千米左右。

雖然金槍魚機(jī)器人可能確實(shí)有用途，比如美國國土安全部（US Department of Homeland Security）的BIOSwimmer水下監(jiān)視機(jī)器人，但人們希望Tunabot的研究可以更廣泛地為有人和無人潛器帶來更快、更高效的推進(jìn)系統(tǒng)。事實(shí)上，科學(xué)家們計(jì)劃最終制造出一種比實(shí)際金槍魚性能更好的系統(tǒng)。

這項(xiàng)研究的負(fù)責(zé)人，弗吉尼亞大學(xué)的Hilary Bart-Smith教授說：“我們并不認(rèn)為生物學(xué)已經(jīng)進(jìn)化到最佳方案。這些魚類經(jīng)過了很長(zhǎng)時(shí)間演變，終于進(jìn)化到一種方案，使它們能夠生存，特別是進(jìn)食、繁殖和不被吃掉。不受這些需求的限制，我們可以只專注于提高性能、速度和效率的機(jī)制和功能。我們的最終目標(biāo)是超越生物學(xué)。”