Einstellbare Steifigkeit ermöglicht schnelles und effizientes Schwimmen in fischähnlichen Robotern

Fische erhalten hohe Schwimmeffizienzen über ein breites Spektrum an Geschwindigkeiten. Ein Schlüssel zu diesem Erfolg ist ihre Flexibilität, dennoch liegen selbst flexible Roboterfische in Bezug auf die Leistung hinter echten Fischen zurück. Hier untersuchen wir, wie Fische die einstellbare Flexibilität nutzen, indem sie ihre Muskeln einsetzen, um die Steifigkeit ihrer Schwänze zu modulieren und so effizientes Schwimmen zu erreichen. Wir haben ein Modell abgeleitet, das erklärt, wie und warum die Anpassung der Steifigkeit die Leistung beeinflusst. Wir zeigen, dass die Muskeln Spannung in quadratischer Beziehung zur Schwimmgeschwindigkeit skalieren sollten, was eine einfache Tuning-Strategie für fischähnliche Roboter bietet. Die Anpassung der Steifigkeit kann die Schwimmeffizienz bei thunfischähnlichen Frequenzen und Geschwindigkeiten (0 bis 6 Hertz; 0 bis 2 Körperlängen pro Sekunde) verdoppeln. Die Energieeinsparungen steigen mit der Frequenz, was darauf hindeutet, dass fischähnliche Roboter bei hohen Frequenzen am meisten von der Anpassung der Steifigkeit profitieren.