康奈尔大学成功研发海洋机器人新形态

　　近期，康奈尔大学研究团队到了自然界中一种小型水族蜗牛的启发，成功地开发出一种机器人原型，有望应用在在海洋、大海和湖泊的表面，高效地从事收集微塑料等清洁工作。

　　海洋微塑料铲除机器人目前仍处于研究和开发的早期阶段，尚未在大规模商业市场上得到广泛应用，大多数海洋微塑料铲除机器人项目仍处于研究和实验室测试的阶段。

　　随着对海洋污染和塑料问题的日益关注，一些创新的机器人技术和设计理念已经涌现在海洋清洁领域，其中包括采用先进的传感器技术、人工智能和自主导航系统等，更准确地定位和收集微塑料。

　　而机器人形态也发生了较大改变，为适应不同的海洋环境，小尺寸软体机器人成为了主要的研究方向。同时为了机器人更有效地在海里工作，采用高效的能源存储和利用可再生能源技术，以减少对外部电源的依赖也是海洋清洁机器人的重要进步之一。

　　目前，海洋中的塑料清理设备主要采用拖网或搬运的方式，用于收集和清除水中新增的塑料颗粒。

　　然而，这些设备存在一个问题，即它们无法有效地回收微塑料，因为微塑料的尺寸相对较小。这些微小的塑料颗粒可能被吸收，并最终进入海洋生物的组织，从而进入食物链。这种现象不仅可能对生物健康构成问题，还有可能对人类的食品产生潜在的影响。

　　启发源自蜗牛的独特行为

　　该研究团队的灵感来源于夏威夷苹果蜗牛(Pomacea canaliculate)，一种普通的水族蜗牛，主要栖息在淡水环境中，如湖泊、池塘和河流。夏威夷苹果蜗牛通常呈褐色或金色，其螺壳呈扁圆形，具有独特的螺旋纹路，成年个体的螺壳直径可达几厘米，而身体呈圆锥状。

　　这种蜗牛通过其灵活的脚的波动产生流动，以驱动水面流动，从而吸入漂浮的食物颗粒。康奈尔大学研究团队对蜗牛的这一独特行为进行了深入研究，并将其原理应用于海洋清洁机器人的设计中。

　　机器人原型可以采用了3D打印技术制造的柔性片材，具有类似于蜗牛脚部的螺旋结构，这种柔性结构使得机器人能够适应水面的不规则形状，并更容易穿越各种环境，包括微塑料聚集的区域。

　　研究团队的设计部分参考水下蜗牛通过其灵活的脚26、27上的波动产生流动的能力的启发，在波动器上产生行波。

　　尽管在封闭空间内，移动边界是一种常规策略用于在液-气界面附近驱动流动，但波荡器的运动却呈现出意外的结果：泵送并不与波速成正比，随着波速的增加，我们观察到表面浮子的平均运动呈非单调变化。

　　通过详细测量速度场并结合润滑理论的分析，研究团队发现了毛细管、重力和粘性力之间耦合问题在界面流体动力学中的作用，非单调流动直接取决于界面是否保持平坦或与波荡器相位一致。

　　通过理论分析计算，团队成功预测了最大化泵浦效果的最佳波速，且该预测与实验结果高度吻合。

　　海洋机器人的未来之路在何方?

　　尽管理论上模拟苹果蜗牛的方法可以解决海洋中微塑料的清洁工作，但海洋中运行的机器人仍存在某些技术的限制。

　　其中，能源的供给就是摆在面前较大的问题之一。

　　由于海洋环境中的长时间运行，海洋机器人通常依赖电池作为主要的能源源，电池寿命短容量低可能导致机器人无法完成长时间任务，需要频繁充电或更换电池，增加了维护成本和操作复杂性。

　　而海洋中的机器人难以直接获取电源，因此需要设计有效的能源充电或补给系统。

　　同时海洋机器人通常配备各种传感器和通信设备，如何跨越水介质的障碍，和陆地上的操作者们实现实时有效的通讯连接，使机器人更好地被控制，也是目前水中机器人需要迫切解决的问题。

　　但总体而言，这个受蜗牛启发的机器人原型代表了科学家们在应对全球环境问题方面的新尝试，形态和运动原理是目前最容易针对水中机器人做出提升的方面。未来，仍需要更多领域的团队共同奉献力量，才能使海洋清洁机器人实现商用。

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