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仿生噴射運動軟體機器人

本篇介紹模仿頭足類軟體動物的脈衝噴射推進方式,開發出一種仿生噴射運動軟體機器人,可在水中收縮膨脹,以海水為燃料,在荷載1公斤時測試其瞬間速度高達每小時9.7公里,不僅非常快且可達到53%的能源效率
 
 
 
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
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