美国海军着手研制水母机器人推进器效率地球最高

2013年10月23日 10:18
来源：中国科学报

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原标题：美海军着手研制水母机器人推进器效率地球最高

近日，美国弗吉尼亚理工大学的研究者开始参加一项旨在研究水母运动模式的项目，以帮助美国海军设计水母仿生机器人。

许久以来，水母一直被认为是一种由简单肌肉组成，运动效率很低，只能“随波逐流”的物种。

而据美国《国家科学院院刊》的一篇论文报道，上述项目发现水母是地球上能量利用率最高的“天然推进器”之一。研究人员发现，水母并非在水中持续不断地游动，而是通过钟形身体不断收缩与舒张，以停顿——前进——停顿的模式前进。而其前进的动力部分来自于在停顿过程中形成的涡流。也就是说，这种生物在将水从身前“搬运”到身后的过程中，制造了一个真空的“洞”。水流在填满这个“洞”时，顺便为水母提供了推力。

这种借力于涡流的运动方式，使水母每次一缩一张的行进距离增加了30%，也减小了水母在游动过程中肌肉的能量消耗。弗吉尼亚理工大学机械工程学教授ShashankPriya说：“水流能够帮助水母运动并节省能量。事实上，水流推动了水母前进，而水母则通过收缩扩展过程来保持这种推力。”

同时，研究人员通过计算食物摄入量和运动能量消耗还发现，水母的能量利用率约比其他动物高出48%。正是凭借这种高超的节能技巧，这种生物几乎遍布整个海洋，甚至在一些人造设施，例如港口和造船厂里也有它们的身影。

为此，该项目研究人员希望能够将水母独一无二的运动方式用于设计机械水母，最终制造出一种能耗低、航程远的仿生机器人。“水母具有比其他海洋生物都低的代谢速率，极强的生命力还有适合装载货物的外形，这些特点使其成为一种理想的仿生对象。”ShashankPriya说。

据介绍，该项目由弗吉尼亚理工学院下属的美国海洋生物研究所主持，卫普顿斯学院、罗杰威廉斯大学以及加州理工大学共同参与。其中，ShashankPriya的团队负责计算机模拟部分，即在水族箱中拍摄水母的运动过程，然后将录像转化为计算机可以识别的信息，最终使计算机能够模拟水母的运动。这种技术与被广泛应用在《指环王》等电影中的特技——动作捕捉技术类似。

负责计算机模拟具体操作工作的该校机械工程系博士生ColinStewart告诉记者，计算机模拟水母可以让研究人员自由控制其运动状态。不过，相比捕捉鲨鱼、游泳运动员等水中物体的运动来说，捕捉水母运动的难度特别大，因为水母柔软而灵活的身体令计算机很难识别。

目前，相关实验室已经研制出一些水母机器人。例如，该校此前曾为美国海军研制出一款名为Cyro、长为5.7英尺、重170磅的水母原型机器人。