金枪鱼是海洋中游得最快的鱼类之一。它们在水中快速移动时，会将鳍收缩或者折叠起来，以减少阻力。近日，厦门大学的林中路和同事利用金枪鱼这一巧妙的鳍折叠机制，改进了水生机器人的设计，研发出一款更敏捷的金枪鱼机器人，使转弯速度提高了近33%。相关研究成果已在预印本平台arXiv上发布。
一个借鉴了金枪鱼聪明的游泳技巧的机器人。图片来源：Zhonglu Lin et al. (2024)
这个金枪鱼形状的机器人有半米长，其头部、背部的背鳍以及尾巴末端的尾鳍分别安装了一个马达。研究人员拍摄了机器人在游泳池中游动的全过程，并测试了当机器人加速、转弯或稳步向前游动时，背鳍折叠或展开时的效果。
他们发现，折叠或展开背鳍对速度、效率和线性加速度等因素有显著影响。当机器人转身时，折叠背鳍能使其速度提高近33%。如果在机器人稳步向前游动时保持背鳍直立，其运动效率将降低13%，也会消耗更多能量。
林中路说，这些发现与自然界中金枪鱼如何折叠背鳍以执行快速精确的运动相吻合。例如在捕捉猎物时，金枪鱼会折叠背鳍以快速游动。
“通过设计类似的灵活控制系统，水下航行器可以改善它们的平衡和导航能力，以及高速游动时也能敏捷地运动。”林中路说。
“了解金枪鱼如此高水平的游泳表现本身就很有趣，因为对于人类来说，最好的游泳运动员也无法做到。”美国宾州西彻斯特大学的Frank Fish说。
Fish补充说，在金枪鱼的游泳技能中，尾鳍可能比背鳍发挥更大的作用。“我们测量了太平洋蓝鳍金枪鱼的转弯性能，发现这种性能远远优于机器人。”Fish说，这可能意味着，通过对尾鳍的深入研究，可以更好地改进金枪鱼机器人的性能。
相关论文信息：https://doi.org/10.48550/arXiv.2407.18843
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