水上行走機器人問世 模倣水黽水上漂(圖)
2007-07-13 10:57:20  來源:新浪  編輯:李靜    

  

水上機器人(右)和水黽(左)

  北京時間7月12日消息,據物理學家組織網報道,最近,卡內基·梅隆大學的兩位研究人員——機械工程學博士生宋演武(Yun Seong Song)和機械工程學助理教授梅丁·西蒂——研製出世界上第一個能夠模倣水黽“水上漂”功夫的機器人。這款可以在水上行走的機器人無論是外觀還是設計都與水黽類似:它不會破壞水面張力,而且擁有高度的可操作性和靈活性。

  在水面上演“淩波微步”的水黽可能一輩子也不會在陸地上留下它們的足跡,實際上,它們也並不是什麼游泳健將。大約100萬年前,這種昆蟲便在最大限度上利用水面張力,平衡它們只有0.01克中的身體。無論是在湖泊、池塘還是海洋,它們可謂真正做到了“任我行”三個字。  

  與其他可在水面漂浮的機器人有所不同的是,宋演武和西蒂研製的小型機器人重量較輕,而且擁有長“腿”,因此能夠充分利用水面張力,進而保持飄浮狀態。相比之下,水上機器人中的“大塊頭”必須依靠浮力,而這種依靠還要取決於它們的體積。根據兩位研究員的預測,這款小型機器人可能被用於環境監控,方式是通過無線通信。此外,它們也可以被用於教育和娛樂目的。

  西蒂說:“機器水黽——我們稱之為‘表面張力機器昆蟲動力學探測器’——能夠在只有3到4米深的淺水上行走。它們的功率和敏捷度(速度和靈活性)都要大大超過相關的小型水上機器人,原因在於:相對於任何依靠浮力的機器人來說,機器水黽的‘腿’受到的阻力更小。”而正如西蒂所指出的那樣,如果機器水黽成為一個以米計算的“大塊頭”,這種優勢必然不復存在——表面張力難於讓“大塊頭”立於水面之上。

  通過製造模型和進行相關計算,兩位研究員最終打造出一款最理想的機器水黽。它擁有不溶于水的線“腿”——外部涂上一層特氟綸(防水塑膠)——每一條長5釐米。共有12條“腿”被附在只有1克重的身體上。在實驗過程中,這款機器人的有效載荷最高時可達到9.3克。其避免破壞水面張力的關鍵之處在於:維持一個水-氣界面,更多地保持水準狀態而不是垂直狀態。

  水黽創造了一種“雙槳式划水”的運動方式:專門負責划水的腿像漿一樣划動,從而推動身體在水面上前後運動。機器水黽也採取了同樣的方式:3台安裝在腿上的“T”型壓電馬達可提供垂直和水準方向的運動力,從而產生“雙槳式划水”動作,帶動身體在水面上移動。

  由於壓電馬達只能提供小角度的偏移,因此需要一台放大器創造大的划水動作。為了實現這一點,兩位研究員利用了一個共振頻率——擁有可產生理想“雙槳式划水”動作的振動模式——驅動壓電馬達。水黽的移動速度最高時可達到每秒1.5米,機器水黽自然無法與之相比,但它的前進速度也可達到每秒3釐米,而且也可以轉向、旋轉和後退。

  波濤洶湧的水面可能將機器水黽至於險地,但西蒂認為,只要提高托舉能力和水封性,這款新機器人便能夠抵擋住海浪和暴風雨。(任秋淩)

    
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