生物的结构非常复杂。当我们制造机器人(甚至是仿生机器人)时,我们主要是尽我们所能比较动物的功能,而不是结构细节。

一个例外是液压机器人,其原理类似于蜘蛛:通过泵送加压流体来移动肢体。然而,它更像是一种副产品,而不是真正的生物灵感,因为结构最简单的蜘蛛比机器人更好,它们的血液除了用作加压流体之外,还能发挥血液的所有其他功能,如输送营养和氧气。

根据上周发表在《自然》杂志上的一篇论文,康奈尔大学和宾夕法尼亚大学的研究人员已经发明了一种机器鱼,这种机器鱼使用人工循环系统来泵送合成血液,为肌肉提供液压动力,并分配动力源。他们开发的系统“集液压传动、驱动和储能功能于一体,提高了机器人在几何意义上的能量密度,延长了运行时间”。听起来很棒,不是吗?

这条鱼缺乏爆发力,但它有令人印象深刻的耐力。理论上,最长的开始时间超过36小时,同时保持鱼每分钟前进1.5倍的距离。关键是血液,它不仅为软致动器提供液压动力,还可以用作氧化还原液流电池的一个部件。血液相当于一个由液态三碘化合物制成的阴极,循环是由浸在电解液中的锌细胞完成的。当锌被氧化时,它会释放电子给机器鱼的微控制器和泵提供能量。电力系统的理论能量密度为每升322瓦时,接近特斯拉的锂离子电池。

机器鱼包括两个泵、一个带有鳍状驱动器的模制硅树脂外壳、一个微控制器和一个合成血管系统,该系统带有柔性电极和包裹在柔软的硅树脂皮肤中的阳离子交换膜。

也许传统电池的能量密度更高,但如果要将电池转换成电能,特斯拉必须努力在电机和电池之间传输电荷。用血液驱动液压执行器,机械效率更高。鱼体内有两个独立的泵,每个泵都可以将血液从不同的容器泵送到执行器(反之亦然)。血液从背部被泵入胸鳍,像桨一样向外推动,血液从尾巴的一侧被泵到另一侧,并循环产生驱动力。

一般来说,鱼含有大约0.2升的血液,分布在整个人造血管系统中;该系统的核心设计是基于基本的生物结构,类似心脏。剩下的鱼是由结构元素组成的,有点像肌肉和软骨。

然而,机器鱼和生物鱼没有太多的共同点,而“血”在机器人技术中的应用起步较晚。

然而,关键的一点是,驱动、力传递和能量存储设计的结合赋予了机器人显著的优势。研究人员表示,仍有很大的优化空间,这将导致性能和效率的提高。