【記者沈家妤報導】自然界演化多年,生物發展出最具效率的移動方式,也給予無人載具設計方向。國立中興大學機械工程學系副教授藍國瑞的研究團隊以作品「雙層波動魚鰭兩棲載具」,榮獲2026台灣仿生設計競賽首度設立的「海洋永續創新獎」。該作品自彈塗魚及黑魔鬼魚的移動方式中獲得靈感,打造出對生態危害較低,且能水陸雙棲的無人載具,以應用於更複雜的地形。
「雙層波動魚鰭兩棲載具」機身尺寸長度為110公分,寬度為71公分,高度為36公分,屬於大型的水下無人載具。 圖/研究團隊提供
團隊以花蓮馬太鞍溪堰塞湖事件為契機,希望研發一款在水下與陸地皆能移動的載具,協助災難現場的搜救、探測及物資運送。參與研發的興大機械系學生黃謙叡說明,現行水下載具普遍使用的螺旋槳具高風險性,易對海洋生物造成危害,且不適合應用於災難現場,「像馬太鞍溪堰塞湖這種災難環境,通常會有大量的漂流木、漁網與漁線,螺旋槳容易產生纏繞問題。」因此,團隊研發條狀的波動魚鰭,作為載具的推進動力。
條狀波動魚鰭的設計,可在兩棲環境使用兩種不同的移動方式。同為研發團隊成員之一興大機械系戴翊凱說明,水下行進是參考黑魔鬼魚兩側的波浪狀臀鰭,藉由機體共16顆的馬達,驅動鰭片產生波動;地面移動則是仿效彈塗魚移動方式,藉由兩側波動鰭向下對地面施力,將機體抬升並前進。除了魚類,團隊亦從昆蟲與鳥類的飛行方式中獲得啟發,將鰭片增加為上下雙層。藍國瑞指出,蝴蝶翅膀上下拍動時會彼此接觸,引導氣流產生前進動力,機體的兩片魚鰭便是運用此機制引導水流,提升水中移動效率。
水陸兩棲載具的設計過程做了許多更動,為降低水中阻力,團隊將外觀由橢圓形改為圓錐狀,團隊也花了不少心力思考電路配置,讓運轉所需的龐大電流安全通過,同時不燒毀控制板。興大機械系楊宗叡談及研發過程的最大收穫,在於將課堂理論應用於現實,「實際製作的過程中發現一些本來理論上不會出現的情況 ,我們就想辦法解決。」目前,該發明已進入實測階段,成功在柏油路、大理石、泥濘地等不同介質上完成陸地實測,未來預計到游泳池或開放水域進行水下測試。「有一種把一個孩子從小養到大,他開始學會走路的感覺。」黃謙叡分享看到無人載具成功那刻的欣慰心情。
載具外觀主要由戴翊凱設計,楊宗叡與黃謙叡則負責模擬分析,研發過程中必須透過兩方不斷的討論與修正。 圖/研究團隊提供
待水下實測完成後,研究團隊預計在機體搭載攝影機、GPS,以期更加適用於水流環境監測。國防大學機械及航太工程學系副教授賴渝翔認為,雙層波動鰭雖能重現魚鰭擺動動作,然而載具以機械元件構成而非人工肌肉,「長期運作還是會機械疲勞(註)。」此外,他也指出雙層波動鰭取代螺旋槳,雖有助於降低水中擾動,但能不能抵抗海流是個問題,「它在水中運動的穩定性可能會受到挑戰,因為海裡面有潮流、亂流。」不過,他也期待這項發明在未來應用於環境監測的表現,認為波動鰭的高機動性是優勢,值得深入發展,「如果有辦法把左右魚鰭做一些適度控制的話,是可以多增加一些自由度的。」水陸兩棲載具從動物身上尋求靈感,期盼拓展海洋調查及環境監測應用可能。
註:機械材料在重複受力下,即便低於極限強度,卻依然發生結構劣化與突然斷裂的現象。
研究過程中,團隊成員都參與了實體組裝及測試,碰到問題也會與實驗室學長姐討論。 圖/研究團隊提供