機器人血的力量和推動合成獅子魚

生物學(xué)充滿了高度復(fù)雜的系統(tǒng)，科學(xué)家們長期研究這些系統(tǒng)是為了模仿它們的機械和化學(xué)功能。人體和動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：腿不僅僅是一種運動機制，而且還是以脂肪形式儲存能量的地方，也是制造血液的長骨之家在別處輸送能量的細胞。

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

詹姆斯Pikul，在助理教授機械工程與應(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機器人獅子魚，通過使用液壓液體的團隊是指結(jié)合了能量儲存和運動作為“機器人血液”。

“普通機器人由針對特定任務(wù)高度優(yōu)化的部件組成。這種專業(yè)化導(dǎo)致機器人性能的妥協(xié)，“Pikul說。“例如，如果我們想讓機器人運行更長時間，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，該團隊將其機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存能量，直到需要時通過化學(xué)反應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為電能。在研究人員的機器人獅子魚中，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在機器人血液中，而從機器人血液中提取的能量驅(qū)動泵，該泵推動相同的液壓液體以推動鰭片的運動。

使用柔軟的水生機器人及其合成血液是研究人員的自然選擇，因為軟機器人通常由液體驅(qū)動。他們認為，如果他們能夠?qū)⒁呀?jīng)加入機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對于設(shè)計優(yōu)化空間以模糊結(jié)構(gòu)和功能之間的區(qū)別并不陌生。就像這個項目試圖將能量存儲智能地整合到宏觀規(guī)模的機器人魚中一樣，Pikul在納米尺度上做了同樣的事情，他設(shè)計了一種叫做金屬木材的材料- 一種輕質(zhì)但堅固的材料，其化妝空間特別精致可以注入儲能組件。

“我們創(chuàng)造了機器魚，以此展示如何在機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)動機器人而不儲存能量，那么機器人只能行進八分之一的距離。”

根據(jù)研究人員的說法，他們的獅子魚是第一個將液壓力傳遞，運動和能量儲存結(jié)合到一個系統(tǒng)中的機器人，這使得機器魚可以游泳長達36小時。他們的研究揭示了多功能機器人設(shè)計尚未開發(fā)的潛力，并可能導(dǎo)致具有前所未有的海洋探測能力的軟機器人，盡管Pikul預(yù)見到更具深遠意義的應(yīng)用：

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