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  經(jīng)過億萬年的自然進化，海洋動物們不僅游的快而且省力高效節(jié)能。受大自然的啟發(fā)，研究者們設計了各種水里游動得軟體機器人，但是軟機器人游動速度相對太慢，接近每秒一個身長，遠低于海洋動物的相對速度（每秒一到二十個身長），而且效率偏低。長久以來，實現(xiàn)快速且高效的軟機器人一直困擾著軟體機器人的研究者們。

  近日，美國北卡州立大學的尹杰團隊巧妙地利用雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)設計了一款會仿人類蝶泳的低頻輕質(zhì)軟體機器人（僅2.8克，驅(qū)動頻率僅1 Hz），不僅游的快，平均速度每秒可達3.74個身長，瞬時速度可以高達0.45米每秒，而且高效低能耗可與海洋動物媲美。該工作以“Snapping for high-speed and high-efficient, butterfly swimming-like soft flapping-wing robot” 為題近日發(fā)表于“Science Advances”雜志上。團隊博士生赤銀鼎領銜第一作者，其它共同作者包括團隊博士生洪堯燁、李艷濱和博士后趙耀。

  該蝶泳軟體機器人形狀像蜜蜂，由一個軟體啟動驅(qū)動器為身體與兩翼組成，如圖1所示，彎曲且柔軟的翅膀是類似于發(fā)卡的一種雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。通過驅(qū)動來上下彎曲身體，從而帶動兩翼的突跳（snapping）快速上下擺動與旋轉(zhuǎn)。通過驅(qū)動器的充放氣使得翅膀在往上和往下彎曲的狀態(tài)來回切換。切換的過程是通過突跳實現(xiàn)的，突跳可以把積累的能量迅速釋放，使得軟體機器人瞬間獲得很大的游速。于此同時，輸入整個系統(tǒng)的能量反而很低，因此使得軟體機器人同時具備快速和高效兩種優(yōu)勢。

圖1 蝶泳機器人驅(qū)動器的設計

圖2 蝶泳軟機器人性能與姿態(tài)

  原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add3788

團隊介紹

  尹杰團隊(https://jieyin.wordpress.ncsu.edu/)目前致力于力學、材料以及結(jié)構(gòu)在軟體機器人、機械超材料、以及多功能形變節(jié)能材料上的基礎以及應用研究。近期代表性原創(chuàng)成果包括：

軟機器人：

快速高效蝶泳軟機器人 (Chi et al., Sci. Adv., 8, eadd3788, 2022) 

自主智能軟機器人 (Zhao et al., PNAS, 119, e2200265119, 2022; Zhao et al., Adv. Mater. 202207372, 2022)

無損傷剪紙機械手 (Hong et al., Nat. Commun. 13, 530, 2022)

快跑軟機器人 (Tang et al., Sci. Adv., 6, eaaz6912, 2020)

水陸兩棲攀爬軟機器人 (Tang et al., Soft Robot., 5, 592, 2018)

功能性剪紙：

三維立體模塊剪紙與剪紙超材料 (Li et al., Adv. Funct. Mater., 2105461, 2021; Li et al., Mater. Today Phys., 100511, 2021)

活性剪紙與剪紙智能窗 (Tang et al., PNAS, 116, 26407, 2019; Tang et al., Adv. Mater., 29, 1604262, 2017)