北卡罗来纳州立大学研发灵感来自羽星的柔性水下机器人，仅需两个驱动器实现三维运动

北卡罗来纳州立大学的研究人员开发出一款柔性水下机器人，灵感来源于羽毛星，即一种海洋无脊椎动物。该机器人能够在三维空间中移动，包括前后、上下及围绕其轴心旋转。它仅使用两个驱动器便可实现此范围的运动，相较于传统三维运动所需的六个驱动器，具有更高的效率。这一设计利用了“机械智能”，依赖机器人的结构及与水的互动，减少所需的控制输入。

这款羽毛星机器人能够以仅两个驱动器实现三维运动，降低了通常所需的机械复杂性。该机器人受到羽毛星的启发，能通过协调其肢体在不同方向上移动和悬浮，四个弹性翅膀围绕中心圆盘排列。这些翅膀为单稳态设计，意味着它们在驱动下可以弯曲，但当施加的力量被移除后，会自动返回原位。这一机械设计使机器人能够在不需要为每个方向配备独立驱动器的情况下产生多种运动。

机器人运动模式介绍

根据 NCSU 团队的说法，该系统基于“机械智能”原理，即机器人的物理结构帮助决定其行为，并减少计算机或人类操作员所需的控制输入。传统的系统若要实现相似的三维运动，通常至少需要六个驱动器。NCSU 机械与航空工程教授及该研究的通讯作者 Jie Yin 在声明中表示：“这项工作的令人兴奋之处在于，它展示了如何利用智能设计技术，以最少的驱动器创造出具有惊人运动范围的机器人装置。”

该机器人的两个驱动器位于其中心圆盘内，控制所有四个翅膀。当两个驱动器同时启动时，翅膀会迅速向下弹动。一旦驱动器关闭，弹性翅膀会再次向上返回。快速重复这一循环使机器人能够拍打翅膀并向上游动。当翅膀拍打较慢时，机器人可以保持其位置并悬浮，研究人员称之为“水母模式”。同一硬件通过改变驱动器的控制方式也能实现水平运动。仅启动一个驱动器会使一个翅膀像尾鳍一样拍动，推动机器人向前或向后移动，研究人员将其称为“鱼模式”。

此外，机器人还能围绕其中心轴旋转。通过快速交替使用两个驱动器，研究人员产生不对称的翅膀运动，令机器人旋转。这一“转子模式”提供了方向控制，使机器人在水下能够转向。

设计的灵活性与应用

这三种运动模式使这款柔性机器人能够控制垂直、水平及旋转运动。研究人员展示了该系统在水下环境中使用相机探索及独立或协同举起物体的能力。该设计建立在团队早期工作的基础上，涉及一款受到蝠鲼启发的水下机器人，该机器人能够迅速穿越水域，但缺乏相应的三维灵活性。研究人员并未选择增加更多电动机和复杂的机制，而是寻求通过机器人的物理结构获得额外的运动能力。团队指出，这种紧凑的设计可为水下机器人应用提供平台，特别是在灵活性和机械简单性方面的重要性。

未来的工作将专注于开发完全无线的版本，并与其他领域的研究人员探索潜在应用。

机械智能如何改变水下机器人设计

这款柔性水下机器人的设计展示了机械智能的潜力，通过利用物理结构来减少驱动器的需求，显著提高了运动效率。与传统系统相比，只需两个驱动器便可实现多种运动，这不仅降低了机械复杂性，也提升了水下操作的灵活性。这一创新设计不仅能够适应多样的水下环境，还为未来的无线版本和其他应用提供了基础，显示出其在水下机器人领域的重要性。