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当前位置: Science » 生物物理 » Science:与生物相似的水上跳跃机器人


摘要 : 韩国首尔国立大学的Je-Sung Koh和同事通过研究在水面上跳跃的水黾制造了一种机器人,它能成功地使自己从水面跳起。


韩国首尔国立大学的Je-Sung Koh和同事通过研究在水面上跳跃的水黾制造了一种机器人,它能成功地使自己从水面跳起。当研究小组用高速摄像机观察水黾在水面跳跃时,他们注意到,水黾的长腿是逐渐加速的,这样水的表面不会过快地后退并失去与其腿的接触。应用一种漂浮在液体上的灵动圆筒理论模型,作者们发现,水黾腿的最大用力总是低于水面张力所能承受的最大力。为了在他们的机器人中重新创建这一受控的加速,研究人员使用了一种扭矩反转弹射(TRC)机制,它能产生一个最初的小型扭矩且扭矩会逐渐增加-但它绝不会超过水的表面张力。高速摄影机同时揭示,水黾会将其腿扫向内测,目的是为了将其腿压向水面的时间最大化,并因此使得总体用力最大化;这种新的概念也被应用于机器人以帮助它们实现腾跳。在具备足够轻的重量、修长肢体及恰当的物理机制时,这些机器人有效地模仿了它们在自然界的为人们提供灵感的水黾。


Jumping on water: Surface tension–dominated jumping of water striders and robotic insects


Jumping on water is a unique locomotion mode found in semi-aquatic arthropods, such as water striders. To reproduce this feat in a surface tension–dominant jumping robot, we elucidated the hydrodynamics involved and applied them to develop a bio-inspired impulsive mechanism that maximizes momentum transfer to water. We found that water striders rotate the curved tips of their legs inward at a relatively low descending velocity with a force just below that required to break the water surface (144 millinewtons/meter). We built a 68-milligram at-scale jumping robotic insect and verified that it jumps on water with maximum momentum transfer. The results suggest an understanding of the hydrodynamic phenomena used by semi-aquatic arthropods during water jumping and prescribe a method for reproducing these capabilities in artificial systems.

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