跳出水面的水生動(dòng)物激發(fā)了跳躍機(jī)器人

曾經(jīng)看過(guò)水生動(dòng)物跳出水面，想知道他們是如何以如此流線型和優(yōu)雅的方式做到的?一群專門研究自然界水進(jìn)出的研究人員有同樣的問(wèn)題，正在探索動(dòng)物成功跳出水所需的特定物理?xiàng)l件。

美國(guó)物理學(xué)會(huì)流體動(dòng)力學(xué)第71屆年會(huì)將于11月18日至20日在佐治亞州亞特蘭大喬治亞世界會(huì)議中心舉行，康奈爾大學(xué)生物與環(huán)境工程副教授Sunghwan Jung將參加他的學(xué)生Brian Chang將展示他們的工作，設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)，靈感來(lái)自跳躍的橈足類(小甲殼類動(dòng)物)和青蛙，以照亮水生動(dòng)物跳躍時(shí)游戲中的一些流體動(dòng)力學(xué)。

“我們收集了不同大小的水生動(dòng)物的數(shù)據(jù) - 從大約1毫米到數(shù)十米 - 跳出水面，并且能夠揭示它們的最大跳躍高度與它們的體型有關(guān)，”榮格說(shuō)。

在自然界中，動(dòng)物經(jīng)常為了各種目的而進(jìn)出水 - 包括逃避捕食者，捕捉獵物或進(jìn)行交流。“但由于水比空氣密度高1000倍，進(jìn)入或離開(kāi)水需要付出很多努力，因此水生動(dòng)物面臨機(jī)械挑戰(zhàn)，”榮格說(shuō)。

作為像海豚一樣的物體或橈足類 - 跳過(guò)水，質(zhì)量被添加到其中 - 被稱為“夾帶水團(tuán)”的量。這種夾帶的水團(tuán)被結(jié)合并在流出水生動(dòng)物身體的過(guò)程中被掃過(guò)。該小組發(fā)現(xiàn)夾帶水團(tuán)很重要，因?yàn)樗拗屏藙?dòng)物的最大跳躍高度。

“我們正在努力了解生物系統(tǒng)如何能夠巧妙地找出并克服這些挑戰(zhàn)，以最大限度地提高其性能，這也可能為工程系統(tǒng)進(jìn)入或退出空氣 - 水界面提供了依據(jù)，”Jung說(shuō)。

大多數(shù)水生動(dòng)物都是流線型的，限制了夾帶水團(tuán)的效果，因此水很容易從身體上滑落。“這就是為什么他們是如此優(yōu)秀的跳投，”榮格說(shuō)。“但是當(dāng)我們制造和測(cè)試類似于跳躍動(dòng)物的機(jī)器人系統(tǒng)時(shí)，它并沒(méi)有像動(dòng)物一樣跳躍。為什么?我們的機(jī)器人不像流線型那樣帶著大量的水。想象一下走出游泳池穿著濕衣服 - 由于水的重量，你可能無(wú)法行走。“

該組的機(jī)器人具有簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，類似于帶有橡皮筋的門鉸鏈。甲橡膠帶纏繞在3-d印刷門鉸鏈的外周界，而保持所述門鉸鏈一個(gè)微小的導(dǎo)線允許當(dāng)流體被向下推動(dòng)它翻轉(zhuǎn)回來(lái)。“這個(gè)機(jī)器人顯示了當(dāng)物體跳出水面時(shí)夾帶水的重要性，”他說(shuō)。

接下來(lái)，該小組將修改和推進(jìn)他們的機(jī)器人系統(tǒng)，使其能夠以更高的高度跳出水面，類似于橈足動(dòng)物或青蛙等動(dòng)物所達(dá)到的高度。“然后，這個(gè)系統(tǒng)可能能夠用于監(jiān)視近水流域，”鄭說(shuō)。