鱼在水中移动的方式非常特殊：它们的身体和鳍非常灵活，这种灵活性使它们能够比刚性机器人更有效地与水互动。多年来，研究人员一直在设计和制造灵活的鱼形机器人，但它们在效率方面仍远远落后于真正的鱼。

缺少了什么？

研究人员创建了一个模型并构建了一个机器人来研究刚度对游泳效率的影响。我们发现鱼在很宽的速度范围内都能如此高效地游泳，因为它们可以实时改变尾巴的刚性或柔韧性。

只是在过去的几十年里，软机器人的进步才使主动控制的柔性组件成为现实。现在，海洋机器人专家正在转向灵活的鱼及其惊人的游泳能力来寻找灵感。

金枪鱼的游泳速度可达 50 英里/小时，并且在很宽的速度范围内都非常节能。

复制鱼的生物力学的棘手部分是生物学家不知道它们在现实世界中的灵活性。如果您想知道橡皮筋的柔韧性，只需拉上它即可。如果你拉一条鱼的尾巴，刚度取决于鱼的各种肌肉的紧张程度。

研究人员估计柔韧性的最佳方法是拍摄游泳的鱼并测量其身体形状的变化。

研究人员已经建造了数十个机器人，试图模仿金枪鱼和其他鱼类的灵活性和游泳模式，但没有一个机器人的性能与真实物体的性能相匹配。

在弗吉尼亚大学的实验室里，研究人员遇到了和其他人一样的问题：机器人应该有多灵活？如果没有最好的灵活性，机器人应该如何在游泳时改变其刚度？

我们在NASA 一篇关于振动飞机机翼的旧论文中寻找答案。该报告解释了当飞机的机翼振动时，振动如何改变机翼产生的升力量。由于鱼鳍和飞机机翼具有相似的形状，因此相同的数学模型可以很好地模拟鱼尾来回摆动时产生的推力。

使用旧的翅膀理论，创建了一个游泳鱼的数学模型，并在尾巴上添加了弹簧和滑轮来表示肌肉紧张的效果。研究人员发现了隐藏在方程中的一个令人惊讶的简单假设。为了最大限度地提高效率，肌肉张力需要随着游泳速度的平方而增加。因此，如果游泳速度加倍，刚度需要增加四倍。为了在保持高效率的同时游得快三倍，鱼或类似鱼的机器人需要用大约九倍的力拉动它的肌腱。

为了证实这个理论，为金枪鱼机器人添加了一条人造肌腱，然后对机器人进行编程以根据速度改变其尾部刚度。然后将机器人放入测试，并让它完成各种“任务”，比如它必须躲避模拟障碍物的 200 米冲刺。由于能够改变尾部的灵活性，与具有单一刚度的机器人相比，该机器人在广泛的速度范围内平均使用的能量约为其一半。

可视化鱼尾周围的水流情况表明，尾巴的刚度必须随着游泳速度的平方而增加，这样鱼才能最有效率。

模型表明，海豚可以从改变尾巴刚度的能力中获益良多，而金鱼因其体型、体型和游泳方式而获益不多。

该模型也适用于机器人设计。游泳或飞行时更高的能源效率这也意味着更安静的机器人，将为目前只有一种有效巡航速度的车辆和机器人实现全新的任务。在短期内，这可以帮助生物学家更轻松地研究河床和珊瑚礁，使研究人员能够以前所未有的规模跟踪风和洋流，或者让搜救队的行动更远、更远。

从长远来看，这项研究能够激发潜艇和飞机的新设计。人类研究游泳和飞行机器的时间只有几个世纪，而动物却在数百万年中不断完善自己的技能。毫无疑问，还有很多东西要向他们学习。