仿生科学解析成功金枪鱼，机器人Tunabot
2019/10/29 19:29:00
弗吉尼亚大学工程学院的机械工程师与哈佛大学的生物学家领导了一项合作，他们创造了第一种被证明能模仿活黄鳍金枪鱼的速度和运动的机器鱼。
他们的同行评议论文《金枪鱼机器人学：探索游动鱼类行为空间的高频实验平台》于2019年9月18日发表在《科学机器人学》杂志上。这项机器人金枪鱼计划是由美国海军研究办公室发起的，授予巴特·史密斯的一项为期五年、耗资720万美元的多学科大学研究计划，该计划由uva工程机械和航空航天工程系教授希拉里·巴特·史密斯（hilary bart smith）领导，为了研究不同鱼类的有效水下驱动。
巴特·史密斯（bart smith）项目的目的是更好地理解鱼类推进的物理学，这项研究最终可能为下一代水下机器人的发展提供信息，这种机器人由比螺旋桨更好的类鱼系统驱动。
水下机器人在国防、海洋资源勘探、基础设施检测和娱乐等领域也有着广泛的应用。然而，在以生物为动力的推进系统能够在有人和无人驾驶车辆上用于公共和商业用途之前，研究人员必须，也只能够先可靠地了解鱼类和其他生物是如何在水中移动的。
“我们的目标不仅仅是制造一个机器人。“我们真的很想了解生物能够遨游水下的科学原理，”巴特·史密斯说。我们的目标是建立一些理论依据，同时我们可以根据是什么使生物游泳者如此快速和高效来测试假设。”
这个团队首先需要研究高性能游泳运动员的生物力学。哈佛生物学教授乔治劳德和他的研究团队精确测量了黄鳍金枪鱼和鲭鱼的游泳动力学。利用这些数据，巴特·史密斯和她的团队、研究科学家朱建中（音译）和博士生卡尔·怀特（音译）建造了一个机器人，它不仅像鱼一样在水下移动，而且能以足够快的速度拍打尾巴，达到几乎相等的速度。
然后他们将他们命名为“tunabot”的机器人与活体标本进行了比较。
“关于鱼类机器人的论文很多，但大多没有太多生物数据。因此，我认为这篇论文在机器人工作质量和结合成一篇论文的生物数据方面都是独一无二的，”劳德说。
用粒子图像测速技术在流动槽中测试tunabot的视频，一种测量流量的激光光学测量技术
巴特·史密斯说：“我们在论文中所展示的结果令人惊奇的是，生物学和机器人平台之间的相似之处，不仅在游泳运动学方面，而且在速度、尾拍频率和能量表现之间的关系方面。”这些比较让我们对自己的平台充满信心，并有能力帮助我们更多地了解生物游泳的物理学。”
该团队的工作建立在uva工程在自主系统方面的优势之上。机械和航空航天工程系是uva engineering网络物理系统链接实验室的参与者，该实验室专注于智能城市、智能健康和包括自主车辆在内的自主系统。
Tunabot项目是Bart Smith在海军研究办公室提出的第二个具有高度竞争力的多学科大学研究计划的成果；2008年，Bart Smith获得650万美元的奖金，用于开发一个以螳螂射线为模型的水下机器人。
tunabot的测试在uva工程公司的机械和航空航天工程大楼的一个大型实验室进行，在一个大约占房间四分之一的水槽中进行，在哈佛大学的一个类似的设施中进行。这种无眼、无鳍的仿鱼机器人大约有10英寸长；生物等效物的长度可达7英尺。钓鱼线系绳使机器人保持稳定，而绿色激光则穿过塑料鱼的中线。激光测量机器人每扫一次装配好的尾巴所释放出的流体运动。随着水槽中水流的加速，金枪鱼的尾巴和整个身体以快速弯曲的方式移动，类似于活的黄鳍金枪鱼游泳的方式。
“我们在迄今为止的鱼类机器人学文献中看到，确实有其他人制作的伟大系统，但数据在测量选择和呈现方面往往不一致。这只是目前机器人领域的现状。我们关于Tunabot的论文很有意义“我们在迄今为止的鱼类机器人学文献中看到，确实有其他人制作的伟大系统，但数据在测量选择和呈现方面往往不一致。这只是目前机器人领域的现状。我们关于tunabot的论文意义重大，因为我们的综合性能数据设定了很高的标准。
劳德说，生物学和机器人学之间的关系是循环的。”我认为我们在这一领域有一个成功的研究计划的一个原因是生物学家和机器人学家之间的巨大互动，“一个分支中的每一个发现都会通知另一个分支，这是一种不断推进科学和工程的教育反馈环。
巴特·史密斯说：“我们不认为生物学已经进化到了最佳解决方案。”这些鱼已经有很长一段时间进化成一种解决方案，使它们能够生存，特别是吃，繁殖和不被吃。不受这些要求的限制，我们可以只关注促进更高性能、更高速度和更高效率的机制和特性。我们的最终目标是超越生物学。但我们怎么能建造一个看起来像生物学的东西，却游得比你在海洋中看到的任何东西都快呢？这就需要不断地实验和思考了。”
他们的同行评议论文《金枪鱼机器人学：探索游动鱼类行为空间的高频实验平台》于2019年9月18日发表在《科学机器人学》杂志上。这项机器人金枪鱼计划是由美国海军研究办公室发起的，授予巴特·史密斯的一项为期五年、耗资720万美元的多学科大学研究计划，该计划由uva工程机械和航空航天工程系教授希拉里·巴特·史密斯（hilary bart smith）领导，为了研究不同鱼类的有效水下驱动。
巴特·史密斯（bart smith）项目的目的是更好地理解鱼类推进的物理学，这项研究最终可能为下一代水下机器人的发展提供信息，这种机器人由比螺旋桨更好的类鱼系统驱动。
水下机器人在国防、海洋资源勘探、基础设施检测和娱乐等领域也有着广泛的应用。然而，在以生物为动力的推进系统能够在有人和无人驾驶车辆上用于公共和商业用途之前，研究人员必须，也只能够先可靠地了解鱼类和其他生物是如何在水中移动的。
“我们的目标不仅仅是制造一个机器人。“我们真的很想了解生物能够遨游水下的科学原理，”巴特·史密斯说。我们的目标是建立一些理论依据，同时我们可以根据是什么使生物游泳者如此快速和高效来测试假设。”
这个团队首先需要研究高性能游泳运动员的生物力学。哈佛生物学教授乔治劳德和他的研究团队精确测量了黄鳍金枪鱼和鲭鱼的游泳动力学。利用这些数据，巴特·史密斯和她的团队、研究科学家朱建中（音译）和博士生卡尔·怀特（音译）建造了一个机器人，它不仅像鱼一样在水下移动，而且能以足够快的速度拍打尾巴，达到几乎相等的速度。
然后他们将他们命名为“tunabot”的机器人与活体标本进行了比较。
“关于鱼类机器人的论文很多，但大多没有太多生物数据。因此，我认为这篇论文在机器人工作质量和结合成一篇论文的生物数据方面都是独一无二的，”劳德说。
用粒子图像测速技术在流动槽中测试tunabot的视频，一种测量流量的激光光学测量技术
巴特·史密斯说：“我们在论文中所展示的结果令人惊奇的是，生物学和机器人平台之间的相似之处，不仅在游泳运动学方面，而且在速度、尾拍频率和能量表现之间的关系方面。”这些比较让我们对自己的平台充满信心，并有能力帮助我们更多地了解生物游泳的物理学。”
该团队的工作建立在uva工程在自主系统方面的优势之上。机械和航空航天工程系是uva engineering网络物理系统链接实验室的参与者，该实验室专注于智能城市、智能健康和包括自主车辆在内的自主系统。
Tunabot项目是Bart Smith在海军研究办公室提出的第二个具有高度竞争力的多学科大学研究计划的成果；2008年，Bart Smith获得650万美元的奖金，用于开发一个以螳螂射线为模型的水下机器人。
金枪鱼的尾鳍如何摆动的图片。来源：Zhu et al., Sci. Robot. 4, eaax4615 (2019)
tunabot的测试在uva工程公司的机械和航空航天工程大楼的一个大型实验室进行，在一个大约占房间四分之一的水槽中进行，在哈佛大学的一个类似的设施中进行。这种无眼、无鳍的仿鱼机器人大约有10英寸长；生物等效物的长度可达7英尺。钓鱼线系绳使机器人保持稳定，而绿色激光则穿过塑料鱼的中线。激光测量机器人每扫一次装配好的尾巴所释放出的流体运动。随着水槽中水流的加速，金枪鱼的尾巴和整个身体以快速弯曲的方式移动，类似于活的黄鳍金枪鱼游泳的方式。
“我们在迄今为止的鱼类机器人学文献中看到，确实有其他人制作的伟大系统，但数据在测量选择和呈现方面往往不一致。这只是目前机器人领域的现状。我们关于Tunabot的论文很有意义“我们在迄今为止的鱼类机器人学文献中看到，确实有其他人制作的伟大系统，但数据在测量选择和呈现方面往往不一致。这只是目前机器人领域的现状。我们关于tunabot的论文意义重大，因为我们的综合性能数据设定了很高的标准。
尾鳍骨骼（尾鳍附着的区域）为3D打印（来源：Zhu et al., Sci. Robot. 4, eaax4615 (2019)）
劳德说，生物学和机器人学之间的关系是循环的。”我认为我们在这一领域有一个成功的研究计划的一个原因是生物学家和机器人学家之间的巨大互动，“一个分支中的每一个发现都会通知另一个分支，这是一种不断推进科学和工程的教育反馈环。
巴特·史密斯说：“我们不认为生物学已经进化到了最佳解决方案。”这些鱼已经有很长一段时间进化成一种解决方案，使它们能够生存，特别是吃，繁殖和不被吃。不受这些要求的限制，我们可以只关注促进更高性能、更高速度和更高效率的机制和特性。我们的最终目标是超越生物学。但我们怎么能建造一个看起来像生物学的东西，却游得比你在海洋中看到的任何东西都快呢？这就需要不断地实验和思考了。”