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仿生噴射運動軟體機器人

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賴婉婷｜國立臺灣博物館研究組

歐陽盛菊｜國立清華大學工業工程與工程管理研究所

歐陽盛芝｜國立臺灣博物館

英國、美國和新加坡聯合研究團隊觀察到頭足類軟體動物（即烏賊和章魚）的脈衝噴射推進方式，可使各式交通工具或機器人必備的推進系統更有效率並節省能源，因此見賢思齊，於2015年開發出一種仿生噴射運動軟體機器人，可以在水中收縮，在不到一秒鐘內加長到身體10倍的長度，加速荷載一公斤時，不到一秒鐘時速可達六英哩（9.7公里），相當於一部英國製造重達650公斤的迷你庫柏（Mini Cooper）轎車在水下額外載重350公斤（使車體總重量達到1,000公斤），由靜止加速到每小時60英哩（96.5公里），過往除了使用大量推進劑的魚雷可達每小時93公里之外，沒有一種水下船舶可達這種速度，未來除可發展為水下運載航行器，相關阻力研究也能應用於飛機機翼的設計。

這個仿頭足類動物的可變形軟體機器人長27公分，使用3D列印的聚碳酸酯（polycarbonate）骨架覆蓋市售合成橡膠氣球，形成外部船體彈性膜，沒有其他零件和能源裝置。橡膠膜可充氣或被水填充，全癟時船體形狀是約5：1的橢圓形，充滿後可擴增為數十倍長度，形狀呈流線型，鰭片設在後面以保持直線前進，透過尾部發射出的水柱來提供推進和加速動力，可達53%的能源效率。

瞬間逃生最快的水生動物包括章魚、魷魚、水母、扇貝類等，都是以其身體軀幹的特殊構造將水向後噴出，利用動量守恆原理向前推進，由於牠們噴水的方式是以身體某部位擠壓水的方式進行，須待身體形狀復原方可再噴一次，因此噴出的水柱必然是間歇式，而非可以持續推進，所以通常游得不快，但遇到緊急狀況需要逃命時，可以製造出高速水柱獲得動力快速逃逸。以章魚為例，基本上像是一個充滿水的氣球，呼吸後將水通過短漏斗狀的體管排出體外，這樣的噴水運動就能以退為進，最快速度可達每小時36公里，也能竄出水面飛騰達8公尺高或數十公尺遠，且所用「燃料」僅是海水。

目前水下船舶有工程船、潛水艇、遙控或自主式的水下無人載具、自主式水下滑翔機等，以煤、油、太陽、化學物質或核子等各種燃料產生熱能，推動螺旋漿、噴水推進器、電力推進器或磁流體推進器等產生動力航行。船舶每小時的航速為帆船15公里、貨輪33.5公里、軍艦59公里、快艇93公里，僅汽墊船和水翼船可達93公里以上；另潛水艇通常時速為37公里，最快的核動力潛水艇每小時78公里。這些現有船舶高速航行時不僅耗費大量燃料，且會產生噪音與震動，都無法達到章魚或仿生噴射運動軟體機器人的瞬間速度，尤其海水為燃料可就地取材，無污染且能不斷循環利用，仿生噴射運動軟體機器人未來將有很大的應用潛力。（以上新聞編譯自2015年2月2日發行之Bioinspiration & Biomimetics雜誌）

（本文由科技部補助「向大自然借鏡：生物行為的科學解密」執行團隊撰稿）

責任編輯：歐陽盛芝／國立臺灣博物館
審校：歐陽盛芝／國立臺灣博物館

資料來源

Weymouth, G. D., V. Subramaniam, and M. S. Triantafyllou. 2015. Ultra-fast escape maneuver of an octopus-inspired robot. Bioinspiration & Biomimetics, 10(1): 016016-1-7.

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