仿羽毛星水下机器人仅用两个执行器实现三维运动

北卡罗来纳州立大学团队从羽毛星获得灵感，设计出仅用两个执行器就能完成升降、前后游动和原地旋转的水下机器人。

水下机器人要真正融入海洋环境，除了能向前游，还得像海洋生物那样升降、转向和原地调整姿态。北卡罗来纳州立大学的研究团队正在朝这个目标推进。

该团队此前曾受蝠鲼启发做过一款水下机器人，游速表现不错，但三维机动能力不足：前进是一回事，上下移动、改变方向和在原地旋转则是另一套难题。许多水下机器人也有类似局限，于是研究人员决定从生物身上另找答案。

羽毛星带来的结构灵感

这次他们借鉴了羽毛星。羽毛星长有多条柔软、羽状的手臂，能帮助它在不同方向上移动。看起来动作轻盈，但要把这些动作复刻到机器人上并不容易，通常需要复杂的控制系统和更多执行器，也就是驱动机器人运动的部件。

两台机器人举起保护海洋横幅

两台机器人（左）举起“保护海洋”横幅（图片来源：北卡罗来纳州立大学）

新机器人的特别之处在于，它只靠少量弹性肢体和两个执行器就能完成三维机动。研究论文通讯作者 Jie Yin 解释说，通常至少需要六个执行器才能实现这样的运动范围，而羽毛星机器人依靠结构设计，仅用两个执行器就做到了；这是用“机械智能”打造更高效设计的一个例子。

羽毛星机器人应用场景示意图

羽毛星机器人的一种可能应用场景（图片来源：北卡罗来纳州立大学）

这里的机械智能，不是给机器人堆更多电子部件，而是让机器人本身的结构承担一部分功能。研究人员没有为每一种运动单独配置电机或控制机构，而是利用机器的物理结构，使它能够切换三种运动模式。

水母通过收缩和放松身体在水中升降。羽毛星机器人采用类似原理：两个执行器同时启动时，羽状翼片向下拍动，把机器人向上推。翼片具有单稳态特性，弯曲后会自然恢复原状；在恢复过程中，机器人可以下降。加快重复这一动作，机器人就能在水中游动，放慢则可以在原地悬停。

只启动一个执行器时，机器人会产生不对称运动，从而向前或向后推进，思路类似鱼用鳍和尾巴游动。

交替驱动两个执行器，机器人就能绕自身轴线旋转，方便改变朝向。

机器人在水母模式下进出开口圆筒

在水母模式下，机器人可以升入并降入一个顶部开口的圆筒（图片来源：北卡罗来纳州立大学）

这就是机械智能的实际效果：有时让机器更强，不是继续增加电子器件，而是让设计本身更聪明。

研究人员希望这类机器人能为水下探索带来新可能，例如搭载相机、举升物体，或与其他水下机器人协同工作。