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科学家创造出可以游泳速度更快三倍的仿生水母

2020-2-15 14:43| 发布者: 肥仔拳| 查看: 90| 评论: 0|来自: 国际仿生工程学会

摘要: 要使机器人在任何地方都能与动物的高效移动能力相匹配,特别是在小范围内,还需要非常、非常长的时间。很多人都在致力于制造微型机器人,但另一种选择是,直接将动物变成机器人。我们以前在甲虫身上见过这种东西,但 ...

要使机器人在任何地方都能与动物的高效移动能力相匹配,特别是在小范围内,还需要非常、非常长的时间。很多人都在致力于制造微型机器人,但另一种选择是,直接将动物变成机器人。我们以前在甲虫身上见过这种东西,但是还有很多其他的动物可以被机器人化。斯坦福大学和加州理工学院的研究人员正在尝试使用水母,而且引人注目的是,研究似乎增强了机器人的能力,使水母比以前更有能力。


通常,把动物的移动系统和电子设备结合起来并不能改善动物的状况,因为我们在控制动物方面不如它们控制自己那么好。但是当你观察那些控制系统非常简单的动物,比如水母,你会发现,通过一些仔细的有针对性的刺激,它们的移动速度和效率都比天然的要快。


研究人员,Nicole W. Xu和John O. Dabiri,选择了一种名为Aurelia aurita的水母,它是一种扁圆的水母,包括柔软的mesogleal bell和单层和放射状的肌肉,它们排列在subumbrellar表面上。游泳时,水母会刺激bell里的肌肉,把水挤出来,推动其前进。这些肌肉收缩是由水母神经系统的一个相对简单的刺激控制的,这种刺激可以通过外部电脉冲复制。


为了把水母变成半机器人,研究人员开发了一种植入物,由电池、微电子技术、软木和不锈钢碎片组成,使物体具有中性浮力,再加上一个木钉,将所有东西固定到位。虽然非机器人水母倾向于以0.25hz的钟形收缩频率游泳,但植入物使研究人员能够将机器人水母的游泳频率提高到1hz。


峰值速度达到了0.62hz,导致水母以接近半个体直径每秒(4-6厘米每秒)的速度移动,这是其典型速度的2.8倍。更重要的是,计算水母的运输成本,结果显示,速度提高了2.8倍,而代谢成本却只增加了2倍,这意味着电子水母既快又高效。


从进化的角度来看,这有点奇怪,如果水母有能力移动得更快,移动得更快对它来说更有效率,那么为什么它不一直移动得更快呢?研究人员认为这可能与喂养有关:

A possible explanation for the existence of more proficient and efficient swimming at nonnatural bell contraction frequencies stems from the multipurpose function of vortices shed during swimming. Vortex formation serves not only for locomotion but also to enable filter feeding and reproduction. There may therefore be no evolutionary pressure for A. aurita to use its full propulsive capabilities in nature, and there is apparently no significant cost associated with maintaining those capabilities in a dormant state, although higher speeds might limit the animals’ ability to feed as effectively.

要使机器人在任何地方都能与动物的高效移动能力相匹配,特别是在小范围内,还需要非常、非常长的时间。很多人都在致力于制造微型机器人,但另一种选择是,直接将动物变成机器人。我们以前在甲虫身上见过这种东西,但是还有很多其他的动物可以被机器人化。斯坦福大学和加州理工学院的研究人员正在尝试使用水母,而且引人注目的是,研究似乎增强了机器人的能力,使水母比以前更有能力。


通常,把动物的移动系统和电子设备结合起来并不能改善动物的状况,因为我们在控制动物方面不如它们控制自己那么好。但是当你观察那些控制系统非常简单的动物,比如水母,你会发现,通过一些仔细的有针对性的刺激,它们的移动速度和效率都比天然的要快。


研究人员,Nicole W. Xu和John O. Dabiri,选择了一种名为Aurelia aurita的水母,它是一种扁圆的水母,包括柔软的mesogleal bell和单层和放射状的肌肉,它们排列在subumbrellar表面上。游泳时,水母会刺激bell里的肌肉,把水挤出来,推动其前进。这些肌肉收缩是由水母神经系统的一个相对简单的刺激控制的,这种刺激可以通过外部电脉冲复制。


为了把水母变成半机器人,研究人员开发了一种植入物,由电池、微电子技术、软木和不锈钢碎片组成,使物体具有中性浮力,再加上一个木钉,将所有东西固定到位。虽然非机器人水母倾向于以0.25hz的钟形收缩频率游泳,但植入物使研究人员能够将机器人水母的游泳频率提高到1hz。


峰值速度达到了0.62hz,导致水母以接近半个体直径每秒(4-6厘米每秒)的速度移动,这是其典型速度的2.8倍。更重要的是,计算水母的运输成本,结果显示,速度提高了2.8倍,而代谢成本却只增加了2倍,这意味着电子水母既快又高效。


从进化的角度来看,这有点奇怪,如果水母有能力移动得更快,移动得更快对它来说更有效率,那么为什么它不一直移动得更快呢?研究人员认为这可能与喂养有关:

A possible explanation for the existence of more proficient and efficient swimming at nonnatural bell contraction frequencies stems from the multipurpose function of vortices shed during swimming. Vortex formation serves not only for locomotion but also to enable filter feeding and reproduction. There may therefore be no evolutionary pressure for A. aurita to use its full propulsive capabilities in nature, and there is apparently no significant cost associated with maintaining those capabilities in a dormant state, although higher speeds might limit the animals’ ability to feed as effectively.


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