機(jī)器人鰭改善了力控制、回收和水的利用，使無(wú)人水下航行器（UUV）的機(jī)動(dòng)性比傳統(tǒng)螺旋槳提高了49%。
馬里蘭大學(xué)（UMD）的一個(gè)研究小組正在推進(jìn)水下無(wú)人機(jī)技術(shù)，他們開(kāi)發(fā)了一種受金槍魚(yú)啟發(fā)的機(jī)器人鰭。
為了提高速度和機(jī)動(dòng)性，該項(xiàng)目旨在彌合無(wú)人水下航行器（UUV）與其機(jī)載同行之間的性能差距。
這種鰭驅(qū)動(dòng)的無(wú)人機(jī)可能會(huì)徹底改變深海勘探，比目前的設(shè)計(jì)提供更高的效率。
馬里蘭大學(xué)機(jī)械工程助理教授兼研究負(fù)責(zé)人韋爾塔斯·塞德拉（Huertas Cerdeira）表示：“我從經(jīng)過(guò)數(shù)百萬(wàn)年進(jìn)化的生物游泳運(yùn)動(dòng)員身上汲取靈感，它們比任何旋轉(zhuǎn)螺旋槳的游泳運(yùn)動(dòng)員都更有效?！?/p>
“我們不能造魚(yú)。但我們可以制造一個(gè)像魚(yú)一樣移動(dòng)的機(jī)器人并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化?！盋erdeira在一份聲明中說(shuō)。
Tuna-inspired設(shè)計(jì)
最先進(jìn)的無(wú)人水下航行器（UUV）依賴于幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)不斷改進(jìn)的螺旋螺旋槳。然而，隨著機(jī)器人技術(shù)和自主性的進(jìn)步，UUV任務(wù)變得越來(lái)越復(fù)雜，需要更高的效率、機(jī)動(dòng)性和隱身性。科學(xué)家們正在轉(zhuǎn)向生物動(dòng)力推進(jìn)，因?yàn)樯镉斡菊咴陉P(guān)鍵指標(biāo)上優(yōu)于人造系統(tǒng)。
盡管生物和機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)有各自的優(yōu)勢(shì)，但它們都面臨著效率和機(jī)動(dòng)性之間的權(quán)衡。例如，UUV檢查和維修水下石油基礎(chǔ)設(shè)施必須覆蓋很長(zhǎng)的距離，同時(shí)保持精確定位?，F(xiàn)有的機(jī)動(dòng)系統(tǒng)，包括升力面、推力矢量和側(cè)推進(jìn)器，都存在阻力增加、復(fù)雜或響應(yīng)時(shí)間慢等缺點(diǎn)。
通過(guò)融合工程和自然的概念，這項(xiàng)新研究提出了一種為UUV提供動(dòng)力的新方法。目前的研究提出了一種新的水下推進(jìn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以魚(yú)類的尾鰭為模型，特別是金槍魚(yú)和其他使用鰭狀游泳的物種。
UUV有一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)，使尾鰭在三個(gè)方向上自由移動(dòng)，以便做到這一點(diǎn)。由于它的彈性，它可以在比自然或現(xiàn)代螺旋槳設(shè)計(jì)更大的范圍內(nèi)移動(dòng)。然而，要弄清楚鰭在某些活動(dòng)中應(yīng)該如何運(yùn)動(dòng)是很困難的。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員使用了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法，這種方法依賴于現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)驗(yàn)。通過(guò)測(cè)試不同的運(yùn)動(dòng)和實(shí)時(shí)分析結(jié)果，他們確定了操縱UUV的最有效的鰭運(yùn)動(dòng)。這種方法旨在創(chuàng)造一種高效靈活的水下航行器。
科技使無(wú)人機(jī)更加快速、靈活
與傳統(tǒng)螺旋槳70%的效率相比，這種Thunniform游泳方式的效率高達(dá)90%。然而，Thunniform游泳者在低速機(jī)動(dòng)和站位保持方面會(huì)遇到困難。新的設(shè)計(jì)解決了這個(gè)問(wèn)題，為UUV配備了一個(gè)三自由度（3-DOF）的機(jī)器人鰭，使其能夠進(jìn)行比自然魚(yú)類游泳更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。
機(jī)器人鰭能夠更好地控制力方向，實(shí)現(xiàn)更有效的恢復(fù)沖程，并改善不穩(wěn)定水力的使用。甚至生物劃槳和昆蟲(chóng)翅膀的運(yùn)動(dòng)也被研究人員的四步移動(dòng)方法所超越。與傳統(tǒng)螺旋槳相比，該技術(shù)將機(jī)動(dòng)性提高了49%。
然而，這種設(shè)計(jì)是高效的，抗壓的，并且能夠運(yùn)輸精細(xì)的有效載荷，盡管有一個(gè)堅(jiān)固的身體和一個(gè)高展弦比的鰭，這通常限制了機(jī)動(dòng)性。雖然該系統(tǒng)更加復(fù)雜和昂貴，但它可以被修改以適應(yīng)未來(lái)的鰭設(shè)計(jì)，例如提高效率的柔性鰭。
根據(jù)這項(xiàng)研究，3D鰭運(yùn)動(dòng)提高了一系列鰭形的機(jī)動(dòng)性，這使得這種策略在未來(lái)的UUV中是可行的。
研究小組計(jì)劃在年底前制造出這種鰭，并在馬里蘭大學(xué)流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的水洞中進(jìn)行測(cè)試。一旦無(wú)人機(jī)完成，兩到三年內(nèi)，他們將在馬里蘭州南部的馬里蘭州自主技術(shù)研究創(chuàng)新和探索實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)。
該團(tuán)隊(duì)的研究細(xì)節(jié)發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》雜志上。
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