機(jī)器人血的力量和推動(dòng)合成獅子魚

生物學(xué)充滿了高度復(fù)雜的系統(tǒng)，科學(xué)家們長(zhǎng)期研究這些系統(tǒng)是為了模仿它們的機(jī)械和化學(xué)功能。人體和動(dòng)物體如此高效的部分原因在于它們各部分的綜合多功能性：腿不僅僅是一種運(yùn)動(dòng)機(jī)制，而且還是以脂肪形式儲(chǔ)存能量的地方，也是制造血液的長(zhǎng)骨之家在別處輸送能量的細(xì)胞。

機(jī)器人傾向于劃分這些任務(wù)，分離能量存儲(chǔ)和運(yùn)動(dòng)等功能。每個(gè)功能具有不同的組件使得更大的設(shè)備阻礙機(jī)器人的潛力，特別是在需要輕量但是高功率以用于長(zhǎng)時(shí)間探索或搜索和救援任務(wù)的無繩機(jī)器人中。

詹姆斯Pikul，在助理教授機(jī)械工程與應(yīng)用力學(xué)系，與人合著在最近的一篇文章自然與康奈爾大學(xué)的同事們展示了一個(gè)機(jī)器人獅子魚，通過使用液壓液體的團(tuán)隊(duì)是指結(jié)合了能量?jī)?chǔ)存和運(yùn)動(dòng)作為“機(jī)器人血液”。

“普通機(jī)器人由針對(duì)特定任務(wù)高度優(yōu)化的部件組成。這種專業(yè)化導(dǎo)致機(jī)器人性能的妥協(xié)，“Pikul說。“例如，如果我們想讓機(jī)器人運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間，我們必須增加更多電池，但為此我們必須拆下執(zhí)行器以保持相同的重量和尺寸。”

為解決這一權(quán)衡難題，該團(tuán)隊(duì)將其機(jī)器人血液與氧化還原液流電池建模，其中一些電池組件以液體形式儲(chǔ)存能量，直到需要時(shí)通過化學(xué)反應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為電能。在研究人員的機(jī)器人獅子魚中，合成血管系統(tǒng)以類似于氧化還原液流電池的方式將能量存儲(chǔ)在機(jī)器人血液中，而從機(jī)器人血液中提取的能量驅(qū)動(dòng)泵，該泵推動(dòng)相同的液壓液體以推動(dòng)鰭片的運(yùn)動(dòng)。

使用柔軟的水生機(jī)器人及其合成血液是研究人員的自然選擇，因?yàn)檐洐C(jī)器人通常由液體驅(qū)動(dòng)。他們認(rèn)為，如果他們能夠?qū)⒁呀?jīng)加入機(jī)器人的液體吸收并為其注入額外的功能，他們可以通過避免固體電池來節(jié)省空間和重量。

Pikul對(duì)于設(shè)計(jì)優(yōu)化空間以模糊結(jié)構(gòu)和功能之間的區(qū)別并不陌生。就像這個(gè)項(xiàng)目試圖將能量存儲(chǔ)智能地整合到宏觀規(guī)模的機(jī)器人魚中一樣，Pikul在納米尺度上做了同樣的事情，他設(shè)計(jì)了一種叫做金屬木材的材料- 一種輕質(zhì)但堅(jiān)固的材料，其化妝空間特別精致可以注入儲(chǔ)能組件。

“我們創(chuàng)造了機(jī)器魚，以此展示如何在機(jī)器人部件中添加多種功能可以顯著提高其性能和功能，”Pikul說。“如果流體僅用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人而不儲(chǔ)存能量，那么機(jī)器人只能行進(jìn)八分之一的距離。”

根據(jù)研究人員的說法，他們的獅子魚是第一個(gè)將液壓力傳遞，運(yùn)動(dòng)和能量?jī)?chǔ)存結(jié)合到一個(gè)系統(tǒng)中的機(jī)器人，這使得機(jī)器魚可以游泳長(zhǎng)達(dá)36小時(shí)。他們的研究揭示了多功能機(jī)器人設(shè)計(jì)尚未開發(fā)的潛力，并可能導(dǎo)致具有前所未有的海洋探測(cè)能力的軟機(jī)器人，盡管Pikul預(yù)見到更具深遠(yuǎn)意義的應(yīng)用：

“我認(rèn)為這項(xiàng)工作有趣的未來方向是將更復(fù)雜和獨(dú)特的化學(xué)功能整合到流體中，并利用它來制造具有類似動(dòng)物能力的新功能和更好功能的機(jī)器人，”Pikul說。“此外，我認(rèn)為除了軟機(jī)器人之外，其他任何東西都有很好的應(yīng)用，例如任何使用流體的機(jī)器，從硬機(jī)器人到電動(dòng)汽車甚至飛機(jī)。”