文｜《中國科學報》記者 沈春蕾

萬物皆有啟發，無論是迅疾的獵豹，還是一枚小小的發卡——而正是這兩個風馬牛不相及的事物，給同一個研究團隊先后帶來了靈感。

(資料圖片)

研究過程很美好，但投稿卻不太順利。盡管研究成果遭遇頂刊婉拒，但論文一作赤銀鼎并沒有感到懊惱和焦慮，反而發出這樣的感嘆：“我很享受研究和投稿的過程。”最終，該研究論文11月18日發表在Science Advances上，文章介紹了一款可以蝶泳的軟體機器人，并且被Nature亮點報道。

赤銀鼎最新論文

Nature亮點報道

“相比目前同類軟體機器人每秒最快可以游大約1個身長，我們研制的軟體機器人每秒可以游3.74個身長，接近海豚的相對游速，并且游動過程中還很省力。”

準備這篇論文的時候，赤銀鼎是美國北卡羅萊納州立大學機械航空系副教授尹杰的博士研究生，尹杰也是論文的通訊作者。如今，赤銀鼎正在賓夕法尼亞大學做博士后，繼續開展他喜歡的軟體機器人研究。

在赤銀鼎看來，研究本身的意義遠比發頂刊來得重要。對此，他的導師尹杰非常贊同，并告訴《中國科學報》：“投稿的過程中我們收到了很多有價值的意見，這有利于我們進一步完善現有的研究。”

赤銀鼎（受訪者供圖）

來自女生發卡的靈感

“我們希望研發出像魔鬼魚一樣的軟體機器人，不僅游泳速度快，還更節能省力。”

尹杰團隊先后設計了兩種蝶泳機器人：一種注重速度，平均游速可以達到每秒3.74個身長；一種注重靈活性，可以向右或向左快速轉彎，平均游速能達到每秒1.7個身長。

“當動物在游泳或飛行時，斯特勞哈爾數（評估能量效率的無量綱常數）在0.2～0.4之間時，會出現最佳的推進效能。”赤銀鼎介紹，“我們設計的兩款蝶泳機器人的斯特勞哈爾數都在這個范圍內。”

為什么稱其為蝶泳軟體機器人呢？秘密武器在于翅膀。

發卡啟發的蝶泳軟機器人設計圖（受訪者供圖）

“蝶泳軟體機器人翅膀的設計靈感來自女生常用的按扣發卡。”赤銀鼎指出，按動發卡的兩個撥片，發出啪嗒一聲后，發卡可以跳動到另一個穩定的狀態中，軟體機器人的翅膀也可以實現這樣的“雙穩態”。

“我們將模擬發卡的雙穩態翅膀附著在柔軟的硅膠機身上，通過向機身充入氣體可以控制翅膀在兩種穩定狀態之間切換。”赤銀鼎描述道，“當硅膠機身膨脹和收縮時，軟體機器人的身體也會發生彎曲，使得翅膀出現靈活的擺動，就好像蝶泳者在來回拍打水面后向前游動。”

蝶泳軟機器人實物圖以及泳姿（受訪者供圖）

“以前研發的這類軟體機器人大多使用電機直接為機翼提供動力。”尹杰說，“我們簡化了設計，降低了重量，保證其在快速游動同時還能更省力。”

另外，尹杰團隊在蝶泳軟體機器人的設計中還采用了兩個并排連接的驅動單元，可以操控兩側的機翼，當控制一側機翼凸跳時，機身就能夠進行急轉彎。

曾從獵豹身上獲得研究靈感

大概在兩年前，尹杰團隊就已研發出一款軟體機器人——不僅可以像獵豹一樣離地奔跑，也可以輕松抓取物體，還有足夠大的力量可以舉起重物。

這款軟體機器人設計的靈感來自陸地上奔跑速度最快的動物——獵豹。

獵豹啟發軟體機器人設計圖 （2020論文截圖）

“獵豹可以通過彎曲脊柱來獲得速度和力量。”尹杰說，“我們受此啟發，研制的軟體機器人可以通過將空氣泵入軟硅膠機器人的機身，實現在兩種穩定狀態之間快速切換，讓其在幾十毫秒內快速存儲和釋放能量，從而快速對地面施加力實現跑跳。”

尹杰團隊給軟體機器人起了一個名字叫LEAP軟體機器人。尹杰介紹，相比當時報道最快的軟體機器人能以每秒0.8倍體長的速度在平坦表面上移動，LEAP機器人能在3Hz的低驅動頻率下以每秒2.7倍體長的速度實現快速“奔跑”。

在研究中，尹杰團隊還通過“鰭”的設計，提高了LEAP機器人的游泳速度，使其能夠以每秒0.78個身長的速度游泳。而當時已報道的游泳軟體機器人的最快速度是每秒0.7個身長。

在上篇論文中，赤銀鼎是第二作者。在那之后，他開始思考能否在原來設計基礎上，讓軟體機器人速度更快、效率更高。

從獵豹到發卡，看似毫不相關，但赤銀鼎發現了兩者很重要的關聯——雙穩態。基于此，他做了進一步改進設計，不僅明顯提升了軟體機器人的游泳速度，還使其可以更高效省力。

不過，尹杰也指出了這兩項研究的共同缺陷：“我們的軟體機器人需要由細長的管子拴住的，這些管子可以將空氣泵入機體。未來，我們希望可以研制一款沒有牽引、不受束縛的自主機器人。”

錯失頂刊收獲Nature亮點報道

這篇論文的投稿經歷可謂一波三折。

“最開始我們選擇的是機器人領域的頂刊Science Robotics，并且進入送審階段。雖然審稿人都覺得研究很有意思，并承認設計非常有創新性，但最后還是被拒稿了。”尹杰回憶道，“后來我們選擇投Nature，審稿人覺得我們的驅動設計還有待改進。但好消息是Nature主編非常認可我們的研究，并表示論文發表后可以給予亮點報道。”

雖然錯失發表領域內頂刊的機會，但赤銀鼎并沒有很懊惱。他告訴《中國科學報》：“投稿的過程讓我得到了更多有價值的建議，可以幫助我們更好地改進設計。”

一個好的靈感在付諸實現的過程中往往頗具挑戰。研究過程中所遇到的困難也讓赤銀鼎覺得十分有趣：“發卡肯定不能游泳，但發卡提供了一個雙穩態結構，而且發卡很輕。受此啟發，我們對軟體機器人的驅動和結構進行設計，嘗試了不同的驅動模式、骨架結構以及塑料材料，最后研制出的軟體機器人不僅會蝶泳，重量還很輕，僅2.8g。”

“從設計到投稿，這是一個不斷學習提升的過程，所以讓我覺得很享受。”赤銀鼎希望自己可以在這個領域繼續深耕。

談及應用，尹杰透露，蝶泳軟體機器人可以克服阻力在水里靈活穿梭，有望用于海面油污清理和富營養化治理，成為環保小幫手。

標簽： 軟體機器人