"На сегодняшний день плавающие мягкие роботы не способны плавать быстрее, чем на одну длину тела в секунду, но морские животные, такие как скаты манты, способны плавать намного быстрее и гораздо эффективнее", - говорит Цзе Инь, автор статьи об этой работе и доцент машиностроение и аэрокосмическая инженерия в штате Северная Каролина. "Мы хотели использовать биомеханику этих животных, чтобы посмотреть, сможем ли мы разработать более быстрых и энергоэффективных мягких роботов. Прототипы, которые мы разработали, работают исключительно хорошо".

Исследователи разработали два типа ботов-бабочек. Один был создан специально для скорости и был способен развивать среднюю скорость 3,74 длины тела в секунду. Второй был спроектирован так, чтобы быть очень маневренным, способным совершать резкие повороты вправо или влево. Этот маневренный прототип был способен развивать скорость 1,7 длины тела в секунду.

"Исследователи, изучающие аэродинамику и биомеханику, используют так называемое число Струхаля для оценки энергетической эффективности летающих и плавающих животных", - говорит Йиндинг Чи, первый автор статьи и недавний выпускник университета Северной Каролины. "Пиковая двигательная эффективность достигается, когда животное плавает или летает с числом Струхаля от 0,2 до 0,4. Оба наших робота-бабочки имели числа Струхаля в этом диапазоне".

Боты-бабочки черпают свою плавательную силу из своих крыльев, которые являются "бистабильными", что означает, что крылья имеют два стабильных состояния. Крыло похоже на защелкивающуюся заколку для волос. Заколка для волос устойчива до тех пор, пока вы не приложите определенное количество энергии (согнув ее). Когда количество энергии достигает критической точки, заколка для волос принимает другую форму, которая также стабильна.

В ботинках-бабочках бистабильные крылья в виде заколок для волос прикреплены к мягкому силиконовому корпусу. Пользователи управляют переключением между двумя стабильными состояниями в крыльях, нагнетая воздух в камеры внутри мягкого корпуса. Когда эти камеры надуваются и сдуваются, тело изгибается вверх и вниз, заставляя крылья щелкать взад-вперед вместе с ним.

"Большинство предыдущих попыток разработать машущих роботов были сосредоточены на использовании двигателей для подачи энергии непосредственно на крылья", - говорит Инь. "В нашем подходе используются бистабильные крылья, которые пассивно приводятся в движение перемещением центрального тела. Это важное отличие, поскольку оно позволяет упростить конструкцию, что снижает вес."

Более быстрый бот-бабочка имеет только один "приводной блок" - мягкое тело, - который управляет обоими его крыльями. Это делает его очень быстрым, но трудным для поворота влево или вправо. Маневренный бот-бабочка, по сути, имеет два приводных устройства, которые соединены бок о бок. Такая конструкция позволяет пользователям манипулировать крыльями с обеих сторон или "махать" только одним крылом, что позволяет ему совершать резкие повороты.

"Эта работа является захватывающим доказательством концепции, но у нее есть ограничения", - говорит Инь. "Наиболее очевидно, что нынешние прототипы соединены тонкими трубками, которые мы используем для закачки воздуха в центральные органы. В настоящее время мы работаем над разработкой несвязанной автономной версии ".

Статья "Привязка для скоростного и высокоэффективного мягкого пловца, похожего на баттерфляй", будет опубликована 18 ноября в журнале открытого доступа. Научные достижения. Статья была написана в соавторстве Яойе Хонгом, аспирантом университета Северной Каролины; и Яо Чжао и Яньбин Ли, которые являются постдокторскими исследователями в университете Северной Каролины. Работа была выполнена при поддержке Национального научного фонда в рамках грантов CMMI-2005374 и CMMI-2126072.

Видео с ботами-бабочками можно найти по адресу https://youtu.be/Pi-2pPDWC1w.