Derek Paley是馬里蘭大學(xué)航空航天工程系和系統(tǒng)研究所的教授，曾于1997年獲得耶魯大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)士學(xué)位和博士學(xué)位，在普林斯頓大學(xué)獲得機(jī)械和航空航天工程學(xué)士學(xué)位。他的研究包括非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)和控制領(lǐng)域，包括自動(dòng)駕駛車(chē)輛的協(xié)同控制，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)采樣以及生物集體的空間建模。

今年3月5日，Derek Paley教授在美國(guó)知名公共電臺(tái)On the Record節(jié)目上擔(dān)任了嘉賓，并發(fā)表了一個(gè)主題為“受大自然啟發(fā)的技術(shù)”（Inspired by Nature）的演講。其內(nèi)容探討了研究人員如何將昆蟲(chóng)，鳥(niǎo)類(lèi)，魚(yú)類(lèi)和一些動(dòng)物的能力結(jié)合起來(lái)來(lái)改善機(jī)器人。

上面介紹的是Derek Paley教授在他的集體動(dòng)力學(xué)和控制實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試的原型機(jī)器人“魚(yú)”。

Derek Paley教授希望自主水下航行器具有與魚(yú)類(lèi)相同的能力。因此他與UMD工程學(xué)院的研究生和本科研究員們一起研發(fā)了這個(gè)類(lèi)魚(yú)機(jī)器人，希望幫助工程師在自動(dòng)機(jī)器人的背景下探索魚(yú)類(lèi)傳感和推進(jìn)力。

此外，Paley教授正在研究如何將這個(gè)機(jī)器魚(yú)做得更逼真并能夠?qū)ζ渌~(yú)類(lèi)產(chǎn)生的漩渦做出反應(yīng)。他計(jì)劃在未來(lái)打造更多的機(jī)器魚(yú)，以創(chuàng)建一個(gè)完整的系統(tǒng)。

關(guān)于這項(xiàng)研究，Paley教授表達(dá)了科學(xué)家為什么要向自然尋找答案。他說(shuō)：自他還是個(gè)孩子起，他就被魚(yú)群能夠作為一個(gè)有凝聚力的群體而流動(dòng)所吸引，他認(rèn)為這個(gè)群體看起來(lái)像是一個(gè)有機(jī)體。Paley教授還將這種長(zhǎng)期的靈感來(lái)源應(yīng)用在了自動(dòng)駕駛汽車(chē)的協(xié)同外部傳感器中。

通過(guò)側(cè)線(xiàn)感，這條機(jī)器魚(yú)可以感知附近水流的方向和速度、捕食者以及其他障礙物。關(guān)于魚(yú)的推進(jìn)系統(tǒng)，Paley教授認(rèn)為拍打可能比使用螺旋槳更有效。

魚(yú)類(lèi)，作為自然界最早出現(xiàn)的脊椎動(dòng)物，經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的自然選擇，進(jìn)化出了非凡的水中運(yùn)動(dòng)能力，魚(yú)類(lèi)的游泳技巧遠(yuǎn)高于人類(lèi)現(xiàn)有的航海科技。和普通的水下推進(jìn)器相比，魚(yú)類(lèi)的游動(dòng)具有推進(jìn)效率高、機(jī)動(dòng)性能好、隱蔽性能好等優(yōu)點(diǎn)。魚(yú)類(lèi)的高效率與其完善的流體性能有關(guān)，其通過(guò)尾鰭的擺動(dòng)能消除螺旋槳產(chǎn)生的與推進(jìn)方向垂直的渦流，產(chǎn)生與推進(jìn)方向一致的渦流，并且整理尾流，使其具有更加理想的流體力學(xué)性能，從而提高效率。

有試驗(yàn)表明機(jī)器魚(yú)的推進(jìn)效率比常規(guī)水下設(shè)備高30%以上。采用機(jī)器魚(yú)作為水下機(jī)械可大大節(jié)省能量，提高能源利用效率，從而提高了水下作業(yè)時(shí)間和作業(yè)范圍。

上圖是Festo研發(fā)的仿生機(jī)器魚(yú)BionicFinWave，仿的是一種運(yùn)用縱鰭游動(dòng)的海扁蟲(chóng)。這只仿生機(jī)器魚(yú)和靠擺動(dòng)尾鰭游動(dòng)的普通機(jī)器魚(yú)不同，它靠身體兩側(cè)的硅膠肉鰭產(chǎn)生波浪，借此推動(dòng)身軀。通過(guò)這種鰭片起伏運(yùn)動(dòng)，仿生魚(yú)BionicFinWave可以控制自身運(yùn)動(dòng)。

BionicFinWave身上有兩個(gè)伺服電機(jī)，兩個(gè)相鄰的曲軸將動(dòng)力傳遞至杠桿，使兩個(gè)鰭片能夠單獨(dú)移動(dòng)。以這種方式，它們可以產(chǎn)生不同的波形，特別適合于慢速和精確運(yùn)動(dòng)，并且相比傳統(tǒng)的螺旋傳動(dòng)器所攪拌的水量更少，更加節(jié)能。

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