Credit: Costa等人开发受动物和其他生物系统启发的机器人已经成为全球许多机器人学家的重点研究对象。通过人工复制生物机制，这些机器人可以帮助以有效和可靠的方式自动化复杂的现实世界任务。几年来，意大利阿切理工大学的研究人员一直试图设计出有效的仿生机器人。在最近发表在《MDPI机器人学》上的一篇论文中，他们介绍了一种创新的labriform水下机器人，考古学家和其他科学家可以用它来远程探索水下环境。
该研究的首席研究员丹尼尔·科斯塔(Daniele Costa)告诉TechXplore说:“自从我小时候在著名的‘战争游戏’电影中看到法尔肯教授创造的机器人飞行恐龙后，我就一直梦想着设计一个仿生伴侣。”“因此，自从我的毕业论文以来，我一直致力于仿生学的研究，发展了一个源于我的同事兼伴郎David Scaradozzi教授的独创性想法，后来在我的博士学位期间，我在Massimo Callegari教授的指导下与我的研究小组合作。”
科斯塔和他的研究小组最近进行的大多数研究的主要目标是开发一种可以在水下游泳的自主车辆或机器人。为了实现这一目标，他们一直在从支撑鱼类和其他海洋动物运动的流体动力学原理中汲取灵感。
Credit: Costa等人解释说:“就推进能力、加速度和机动性而言，鱼类的推进性能远远超出了现代自然技术的水平。”“然而，我们项目的目的不是设计一种仿生鲭鱼；那将是模仿自然，不同于仿生学。当目的是研究游泳的流体力学时，创造一条包括其生物同类所有特征的机器鱼仍然是必要的。”
一般来说，受生物启发的机器人设计试图利用生物机制，使动物的运动能够克服损害机器人或车辆性能的问题。例如，他们可以尝试复制特定的机制来实现节能巡航和机动性。
“我们的研究是一个充满障碍的漫长旅程，”科斯塔解释说。“我们从零开始，在仿生学领域几乎没有任何经验。我们在制造能力、数学模型和模拟器方面也缺乏资源。幸运的是，我们有足够的时间和热情，所以我们开始收集3D打印机等资源，并开发了我们的模拟和设计平台，与我们在上一篇论文中使用的平台相同。”
除了设计可以在现实世界环境中实施的生物启发系统，Scaradozzi还与ANcybernetics(一家与他的实验室相关的初创公司)合作，创建了机器人系统的原型，可用于在中小学教授科学、技术、工程和数学(STEM)。他们用于教育目的的机器人原型形状像一条鱼，以提高新一代人保护海洋动物及其环境的意识。
Credit: Costa等人在他们最近的论文中介绍的labriform机器人的想法花了他一段时间才完成他的博士研究。由于他当时正在研究的系统具有有限的操纵能力，他决定设计一种划船系统，使他们能够在水中静止不动。
“不幸的是，当时我缺乏必要的时间来制定我的解决方案，直到最近疫情的封锁迫使我在家里呆了几个月，”Costa说。"在此期间，我设计了论文中提出的胸鳍驱动机构."
研究人员创造的新机器人可以使用类似划艇的机制在水中转弯。更具体地说，它的胸鳍向相反的方向运动，产生的阻力组合成一个转向力矩。这种“划船”机制类似于许多海洋动物在水下狩猎和进食时观察到的机制。
“以前提出的机器鱼可以使用多达四个伺服电机来驱动它们的鳍，”科斯塔解释说。“相反，我们的设计只有一个电机。除了减少累赘和惯性，我们的解决方案的主要改进是系统的左，右鳍之间的内在同步。防水问题也很少，因为只有一个电机需要密封。”
Credit: Costa et al .到目前为止，Costa和他的同事在多物理模拟环境中进行的一系列测试中评估了他们的系统。在这些测试中，他们的机器人似乎比过去开发的其他水下机器人更快、更坚固、更可靠。
科斯塔说:“经过数百万年的时间，在一个广阔且经常充满敌意的领域，鱼类已经进化出了在许多方面远远优于航海技术的推进能力。”“水下航行器通常使用螺旋桨来产生必要的推力。然而，海洋环境应用需要能够结合良好机动性和高巡航速度的装置。螺旋桨驱动的车辆无法将两者结合起来。”
大多数水下机器人以比它们长度大几倍的转弯半径来改变它们在水下移动的方向。虽然它们的机动性通常可以通过增加更多的螺旋桨来提高，但这也会增加作用在机器人上的阻力，降低它们的巡航速度。
Scaradozzi解释说:“海洋环境中也有各种各样的植物，螺旋桨可能会破坏它们。”“与其他现有的解决方案相比，采用自然运动技术的水下航行器可以达到每秒五个航行器长度的速度，转弯半径小于航行器长度，同时不会对航行环境造成不自然的干扰。”
Credit: Costa等人在未来，这个研究团队推出的新机器人可能会有广泛的有价值的应用。例如，它可以用于监测海岸，检查近海基础设施或装置，并在考古遗址或微妙的海洋环境中收集数据。Scaradozzi教授与意大利文化遗产部合作，在海洋环境保护和考古遗址记录领域活跃了15年以上。
“该项目正处于测试阶段的开始，”科斯塔补充说。“尽管如此，我们必须等待天气转暖后才能开始实际测试。我们现在计划进一步扩展我们的multiphysics平台，以实现深度改变和恢复操作。同时，我们将利用我们的教育工具，继续在新一代中传播海洋保护文化。”
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