水生动物优雅破水而出激发机器人水中跳跃 最大跳跃高度与体型有关

在看到水生动物破水而出时，有没有想过它们是如何以让人惊叹的优雅姿势做到的?一群专门研究自然界跳进水面和跃出水面的研究人员也有同样的疑问，他们正在探索动物成功跃出水面所需的特定物理条件。

11月18日至20日，在美国物理学会流体动力学分部举行的第71届年度会议上，康奈尔大学生物与环境工程副教授Sunghwan Jung和他的学生Brian Chang，他们展示了其设计的机器人系统，设计灵感来自于跳跃的桡足类动物(小甲壳类动物)和青蛙，以阐明当水生动物跳跃时一些流体动力学的作用。

“我们收集了不同大小的水生动物跳出水面的数据，从大约1毫米到数十米，并且能够揭示它们的最大跳跃高度与其体型有关。”Jung说。

在自然界中，动物经常为了各种目的而跃出水面或跳进去，包括逃避掠食者，捕捉猎物或进行交流。 “但由于水比空气密度高1000倍，进入或离开水需要付出很大力气，因此水生动物面临机械挑战。” Jung说。

当一个物体——像海豚或桡足类动物——在水中跳跃时，质量被加入其中，这个量被称为“携带的水质量”。这种携带的水团被吸收，并被水生动物体内的水流冲走。研究小组发现，携带的水团很重要，因为它限制了动物的最大跳跃高度。

“我们正试图了解生物系统如何能够巧妙地找出并克服这些挑战，以最大限度地提高其性能，这也可能为工程系统跳进或跃出空气-水界面提供了依据。”Jung说。

大多数水生动物都是流线型的，限制了夹带水团的效果，因此水很容易从身体上滑落。 “这就是为什么它们是如此擅长的跳跃。” Jung说，“但是当我们制造和测试类似于跳跃动物的机器人系统时，它并没有像动物一样跳跃。为什么?我们的机器人不像流线型那样携带着大量的水。想象一下穿着湿衣服走出游泳池的场景，由于水的重量，你可能无法行走。”

该团队的机器人具有简单的设计，类似于带有橡皮筋的门铰链。橡皮筋缠绕在3D打印门铰链的外周边上，而一根用来固定门铰链的细金属丝可以在液体向下推时将其翻转回来。 “这个机器人显示了当一个物体跳出水面时携带水的重要性。”他说。

接下来，该团队将修改并改进他们的机器人系统，使其能够以更高的高度跃出水面，类似于桡足动物或青蛙等动物所达到的高度。 “这个系统可能会被用于水池附近的监控。” Jung说。