上个月,在华盛顿特区举行的2017海军未来部队科技博览会上,美国公司Pliant Energy Systems展示了一款水陆两栖机器人——敏捷两栖游泳者(AAS1)。这款机器人在Pliant内部被称为“Velox”(拉丁语:快速),值得一提的是,它依据仿生学原理,两侧“长”有一对波浪形飘带,它们类似鱼类的鳍,能为机器人的前进、转向提供动力。

“这是一种新型的推动方式。”美国海军官员汤姆·麦肯纳(Tom McKenna)在接受电话采访时表示,“这和一些水生动物的运动方式很相似,比如鳐鱼和鱿鱼。”同时,机器人也参考了蛇的运动方式,能在草地、雪地、冰面等不同地面环境上安全穿行。

据悉,美国海军实验局ONR(负责美国海军及海军陆战队武器研发的部门)已与Pliant签订了合约,共同开发以Velox为蓝本的军用平台,帮助部队实现高效的海—陆—海地形转移。

地形转移向来是军用器械和特种机器人研发的一个难点,研发人员为了让设备能适应更多环境,往往会牺牲一定的重量、体积、灵活性。以美军常备的两栖车为例,现在的两栖车大多只是装了轮胎的气垫船。在水上,它由螺旋桨、喷水驱动;在岸上,它由四轮驱动。虽然号称两栖,但车辆使用的是两种全然不同的推进方式。

Velox针对这种情况做出了改进,无论是什么地形,它都通过控制飘带进行波浪形运动提供前进动力。Pliant的CEO兼CTO本杰明·皮特罗·菲拉尔多(Benjamin Pietro Filardo)表示:“Velox是第一款能在水中用鳍‘游泳’的机器人,但这还只是它的一个特点,除此之外,它还能用鳍在陆地上平稳前进,这是我们首创。”

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菲拉尔多解释道,Velox的鳍使用特殊材料,它的设计初衷是构建一个能量生成系统,比如悬停在某一水域中利用水流为机器人充电。“发电和推进是一组逆系统,风力涡轮发电机是发电的,而螺旋桨是耗电的。飞机飞行时有强风,但螺旋桨并不能利用风能发电,这是因为它的叶片表面积太小,无法捕获大量风能。Velox的鳍有一个很大的表面积,它提供了一个巨大的、相对运动缓慢的水流接触面,能更高效地收集能量。”

当然,这一切目前还只停留在理论层面,但随着美国海军掌握了Velox的推进系统技术核心,实现这些猜想也是指日可待。

此外,由于机器人没有装备螺旋桨,且使用了柔性材料,除了军用,它还有许多潜在用途,如进入环境敏感水域进行科研调查。

“螺旋桨会搅碎海草、杀死动物,但Velox不会,它的柔软飘带只能给海牛做做按摩。”

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波浪形运动

早在20世纪80年代末,还在苏格兰圣安德鲁斯大学学习海洋学和生物学的菲拉尔多就开始关注波浪形设计。“在风暴到来之前,海浪一直很平稳,这让我不禁开始设想什么会在波浪中存活下来,以及如何通过非线性的机械运动利用能量。”

毕业后,菲拉尔多成了一名建筑工程师(有建筑学学位),一次偶然的机会,他看到了SRI一份对介电弹性体,也称电活性聚合物的研究报告。这给了他启发。这种材料可以被作为可变电容器,能通过拉伸、平摊放电,当被通电时,它也能进行波浪形运动。“这是第一种人造肌肉。”菲拉尔多激动地表示。

2007年,菲拉尔多开始思考捕捉能量链的第一阶段是什么?介电弹性体发电机的流体接收组件是什么?介电弹性体非常适合在充满动能的环境中运动,即使没有线性机械系统,如钝齿、滑轮、齿轮和刚性联轴器的支撑,它也能进行波浪形扭动。事实上,作为一种聚合材料,它的特性决定了它没有内部金属腐蚀的烦恼。