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机器人可以在水下有效运行吗

2021-03-04 20:13:47

如果您曾经看过《地球》,就会知道海洋是一个野生的生活场所。从博学的章鱼到海星,水上充斥着不同的生态系统和生物,其复杂性也各不相同。出乎意料的是,海星是一种具有分散神经系统特征的简单生物,它提供了对水动力的高级适应性的见识,水动力是由水压力和水流产生的力。

南加州大学维特比工程学院的研究人员发现,海星通过改变其形状,可以在极端水动力载荷下有效地附着在表面上。研究人员,包括航空航天和机械工程学的Henry Salvatori早期职业主席Mitul Luhar和博士生Mark Hermes,发现海星由于其形状而产生“下压力”。这意味着海星不是被流动力抬起,而是被向下推向它们所在的岩石或地面。

南加州大学维特比航空航天和机械工程系的助理教授卢哈尔说,海星具有难以置信的适应性。“在高波浪活动和高水力的情况下,海星将变得更瘦,并呈现出较低的轮廓。当海星被输送到具有较低水动力的庇护环境时,它们会突然弹出并且其横截面会变大。”

卢哈尔说,了解这种变形可以帮助设计类似地适应极端流体动力环境的水下机器人。

形状与力之间的相互作用

研究人员使用计算和3D打印模型测试了对海星形状及其对水中力影响的理解。卢哈尔说:“我们立即注意到的是,与其将海星从它们所在的表面上拉开,不如将它们推下来-这仅仅是因为它们的形状。”

卢哈尔(Luhar)说,研究人员认为这种下压力作用是海星以及未来的水下机器人如何与海床或岩石保持附着而不是从海床上抬起的关键,即使在最极端的情况下也是如此。情况。

研究人员还测试了其他形状。卢哈尔说,有了圆锥或圆顶,水就会顺着形状的轮廓向上然后向下流动(见图...)。最终,水流向下推,产生了相等而相反的力,从而导致整体提升效果。海洋星的形状类似于三角形的楔形物,水向上流动,每一侧的角度都像一个坡道,将水推离其表面。

卢哈尔说:“当海星将水流推开时,水流会产生一个相等而相反的力,将其向下推到海星上。” “圆锥体或球体不会产生相同的'斜坡效应',因此不会产生类似的下压力。”

为了全面了解力场的样子,卢哈尔说,他们使用计算模型进一步阐明了使用3D打印形状所见的事物。Luhar说,在考虑的形状中,球形圆顶在升力与下压力方面表现最差,也就是说,在保持附着在底面或地面上时,球形圆顶表现最差。

软机器人

卢哈尔说,下一步是研究一种可以实时变形的软结构。Hermes目前正在开发这种结构。Luhar说,其设计的关键是使其在水道中具有响应能力,从而使其能够根据需要调整其形状,以保持与岩石或海床的附着力,或者使其在水道中举起。水流。

卢哈尔说:“可以说,水在改变速度。” “我们可以确定最佳形状,然后机器人可以相应地改变其形状。”

卢哈尔说,归根结底,其想法是要了解如何开发一种能够与水流协同工作的机器人,而不是要与之抗争。

卢哈尔说:“如果我们能够利用周围环境而不是与之抗争,那么我们还可以创造出更高的效率和性能增益。”

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