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仿生黑科技,这个水母机器人有点牛

文章来源:科技日报   发布时间:2019-08-13  【字号:     】  

  根据蝙蝠通过超声波定位的原理,人们仿制出了雷达;模拟鱼通过鱼瞟的缩小或膨胀,在水中实现下沉或上浮,科学家制造出了潜水艇;模仿蛋壳的力学原理,建设师设计出了薄壳建筑……生活中仿生学的案例,我们早已屡见不鲜。

  自古以来,自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。

  目前,我国水下无人机器人仍存在不少“短板”,如续航能力弱、能耗高、无法实现对固定区域的长时间定点布控。此外,依靠螺旋桨推进的机器人一般噪声较大,易惊扰鱼群暴露目标……

  作为典型的海洋浮游生物,水母通过腔体的收缩与扩张,实现了高效、灵活的喷射式推进,为科学家设计和开发喷射式推进水下仿生机器人提供了重要参考。

  最近,快三投注平台自动化研究所的研究人员受水母喷射式推进方式启发,研制了一款机动灵活的仿生机器水母系统,并构建了基于强化学习的运动控制器,解决了仿生机器水母的三维姿态控制问题,实现了三维空间的仿水母游动及姿态自主调整。相关研究成果发表于《中国科学:信息科学(英文版)》上。

  实际上,水母的喷射推进方式很早就吸引了国内外研究学者的关注。他们系统性地研究了水母的形态结构和推进机理,并采用形状记忆合金、离子聚合物金属复合材料和介电弹性体致动器等智能材料研制开发了多种仿生机器水母。

  “但是,此类仿生机器水母通常速度较慢,灵活性较差,绝大多数都不能灵活自主地调整三维空间的游动姿态,为后续实际应用带来困难与挑战。”论文通讯作者、快三投注平台自动化研究所研究员喻俊志说道。

  针对这些问题,研究人员从仿生机器水母的机构设计与运动控制两方面进行了重点攻关。

  在机构设计方面,为了模仿水母腔体收缩和扩张运动,该项研究采用多连杆机构设计了仿生机器水母。所研制的仿生机器水母高138 mm,重8.2 kg。

  喻俊志介绍,具体来讲,四个多连杆机构呈中心对称地分布在仿生机器水母中心线四周,并附粘一圈橡胶外皮以形成密闭的腔体。通过多连杆机构的运动带动外皮收缩和扩张,实现仿水母式喷射推进。

  为增加三维机动能力,研究人员在仿生机器水母机构设计中增加了重心调节机构。利用该机构调整配重块的位置,能够实时调整仿生机器水母的三维姿态。

  在运动控制方面,考虑到仿生机器水母建模的复杂性、强耦合和非线性等问题,采用传统控制方法存在一定困难。因此,研究人员提出了基于强化学习的仿生机器水母姿态控制方法,通过构建基于强化学习的仿生机器水母姿态控制器,使仿生机器水母具有自主学习并完成姿态控制的能力。通过一系列仿真及水池实验证明了所提方法的有效性。

  我们研究提出了一种机动型仿生机器水母的机构设计与自主学习姿态控制方法,不仅实现了仿生机器水母三维空间的灵活运动,提高了仿生机器水母的机动能力,而且为高性能仿生水下航行器的研制和应用提供了重要理论基础和关键技术支撑。

  喻俊志表示,仿生机器水母的研究可以为进一步揭示生物水母的喷射推进机制提供良好的试验平台,同时还可以通过搭载各类载荷系统,为水下探索、检测以及信号中继等提供更加隐蔽和稳定的载体,甚至可以在将来执行水下救援、水下军事侦察等任务。




(责任编辑:侯茜)

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