科学探索|从生物获取灵感:科学家正在开发水下交通工具蜂群算法

很少有环境像海洋那样无情 。它不可预测的天气模式和通信方面的限制使大片的海洋未被开发并被笼罩在神秘之中 。麻省理工学院(MIT)ABS职业发展教授Wim van Rees表示:“海洋是一个迷人的环境,目前有许多挑战,如微塑料、藻类繁殖、珊瑚白化和温度上升 。

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与此同时,海洋拥有无数的机会--从水产养殖到能源采集以及探索我们尚未发现的许多海洋生物 。”
像van Rees这样的海洋工程师和机械工程师正在利用科学计算的进步来应对海洋的诸多挑战并抓住其机遇 。这些研究人员正在开发技术以更好地了解我们的海洋及生物体和人类制造的交通工具如何在其中移动 。
【科学探索|从生物获取灵感:科学家正在开发水下交通工具蜂群算法】
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生物启发的水下装置
当鱼在水中飞奔时,发生了一场复杂的舞蹈 。灵活的鱼鳍在水流中拍打并在它们的后面留下一串漩涡 。
“鱼有复杂的内部肌肉组织以适应其身体和鳍的精确形状 。这使它们能以许多不同的方式推动自己,在机动性、敏捷性或适应性方面远远超过任何人造交通工具所能做到的,”van Rees说道 。
另外,他还表示:“由于增材制造、优化技术和机器学习的进步,我们比以往任何时候都更接近于复制灵活和变形的鱼鳍用于水下机器人技术 。因此,我们更需要了解这些软鳍如何影响推进力 。”
Van Rees和他的团队正在开发和使用数值模拟方法来探索自由度增加的水下设备的设计空间,如由于鱼一样的可变形的鳍 。

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这些模拟帮助该团队更好地理解鱼的柔软、灵活的鳍在流体流中移动时的流体和结构力学之间的相互作用 。因此,他们能更好地理解鱼鳍形状的变形会如何损害或改善游泳性能 。“通过开发精确的数值技术和可扩展的并行实现,我们可以使用超级计算机来解决在这个流动和结构之间的界面上到底发生了什么,”van Rees补充道 。
通过将他的柔性水下结构的模拟算法跟优化和机器学习技术相结合,van Rees的目标是为新一代的自主水下设备开发一个自动化设计工具 。这个工具可以帮助工程师和设计师开发,如机器人鳍和水下交通工具,它们可以智能地调整其形状以更好地实现其直接的操作目标--无论是更快、更有效地游泳还是执行机动操作 。
“我们可以利用这种优化和人工智能在整个参数空间内进行逆向设计并从头开始创建智能的、可适应的设备,或使用精确的个体模拟来确定决定一种形状为什么比另一种表现更好的物理原理,”van Rees说道 。
机器人车辆的蜂群算法
与van Rees一样,这项研究的首席研究科学家Micheal Benjamin希望改善车辆在水中的操纵方式 。2006年,当时还是MIT博士后的Benjamin为他开发的自主舵技术启动了一个开源软件项目 。该软件已被Sea Machines、BAE/Riptide、Thales UK和Rolls Royce等公司及美国海军使用,它使用的是一种新颖的多目标优化方法 。这种优化方法是Benjamin在其博士工作期间开发的,它使车辆能自主地选择方向、速度、深度和它应该去的方向以实现多个同时存在的目标 。

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