盖世汽车讯 长期以来，螺旋桨驱动的水下航行器一直帮助科学家探索和监测水生环境。但它们也受自身机械结构的限制：旋转的桨叶可能缠住水草、搅起沉积物，还可能惊扰它们本来要研究的野生动物，因此并不适合浅溪、密集水草区或需要近距离接触鱼类的环境。
这也是机器人研究人员多年来致力于研发“像鱼一样游泳”的机器人的原因之一——让机器人通过弯曲身体而不是旋转螺旋桨来游动。问题在于，大多数仿鱼机器人都是针对特定尺寸和特定任务设计的，因此想要放大或缩小，通常就意味着要从头开始设计。
据外媒报道，一个工程师团队表示，他们找到了解决这一问题的方法。他们推出了ScaFi，一款以鳕鱼、鲭鱼等鱼类为原型的机器人。这些鱼在游泳时，会让身体的大部分弯曲集中在靠近尾部的位置。这种运动方式在自然界中能够适应非常广泛的体型尺寸。
纽约大学坦顿工程学院（NYU Tandon School of Engineering）的Nana Obayashi说道：“目前，如果你想监测一条溪流，然后再去监测一个湖泊，基本上就需要两台完全不同的机器人，而且都得从头开始设计和测试。我们所关注的环境并非千篇一律，因此我们认为工具也不应该千篇一律。”据悉，她目前是机械与航空航天工程助理教授，也是纽约大学机器人与具身智能中心（NYU Center for Robotics and Embodied Intelligence）的教员。在EPFL攻读博士期间，她曾负责这项研究。
图片来源：纽约大学坦登工程学院
可扩展的尾部设计
正如研究团队在期刊《npj Robotics》发表的论文中介绍的那样，ScaFi由刚性前部和柔性尾部组成，尾部采用玻璃纤维杆制成。一台电机拉动两根在尾端附近交叉的肌腱，使尾部产生仿鱼游动所需的S形弯曲。
随着机器人尺寸变化，唯一需要调整的是构成尾部的杆件直径。随着机器人尺寸增大，杆件也按比例加粗，从而保持相似的尾部弯曲特性。而底层电机机构和交叉肌腱系统则保持不变。
这一设计有望减少针对不同环境开发仿鱼机器人的工程工作量。同时，它也为研究人员提供了一个研究平台，用于探索游泳性能如何随尺寸变化——无论是对真实动物还是定制机器人而言，这都是一个很难系统研究的问题。
跨溪流和湖泊开展测试
研究团队制造了三款机器人，长度分别约为0.6米（2英尺）、1.1米（3.6英尺）和2.9米（9.5英尺），并测试了它们的游动性能。
最小的机器人产生的水流涡旋与真实鱼类游动时留下的水流模式相似。在三种尺寸下，对运动进行体型尺度校正后，机器人的游动方式都高度一致。研究人员认为，这表明即使机器人长度扩大近5倍，其仿鱼游动模式依然能够保持。
团队还进行了实地测试：中型机器人被部署在瑞士一条溪流中，最大的机器人在日内瓦湖进行测试，最小的机器人则在深度仅15～30厘米（6～12英寸）的溪流中运行。在溪流测试期间，即使GPS信号中断，机器人仍能继续游动。
能效却没能同样顺利扩展
能效方面的表现却没有那么理想。两款较小的机器人表现相近，但最大的机器人始终效率较低，并需要配备功率更大的电机。
研究人员认为，阻力和惯性可能是造成这一差异的原因，但具体原因尚未确定。这意味着，该团队成功实现了游动方式随尺寸的扩展，却还没有让驱动这种游动所需的能耗同样实现良好的尺度扩展。
扰动测试也显示出了类似的权衡关系。最小的机器人机动性最强，但受到外力偏离航向后恢复得最慢；较大的机器人虽然灵活性较低，却更加稳定。
研究人员认为，这种围绕一个关键结构参数进行尺度扩展的方法，也可能适用于其他柔顺机器人，包括水下以外的机器人。至于能耗性能能否像游动方式一样实现有效扩展，目前仍有待进一步研究。