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北航聯(lián)合哈佛，研制出吸盤式仿生機(jī)器人

2017-10-19 15:48:11 作者：本網(wǎng)整理來源：鎂客網(wǎng) 分享至：

該研究具有廣泛的應(yīng)用前景，如在國防科技，水下救援、海洋生態(tài)檢測等領(lǐng)域，都可發(fā)揮重要的作用。

21日，《科學(xué)》雜志發(fā)表了一篇關(guān)于仿生機(jī)器人的論文，該論文詳細(xì)描述了以?魚軟體吸盤為原理的仿生機(jī)器人。據(jù)悉，該機(jī)器人由北京航空航天大學(xué)和哈佛大學(xué)的研究人員共同研制，其中北京航空航天大學(xué)為該研究的第一單位和第一通訊單位。

啟發(fā)

?魚，又名吸盤魚，喜歡吸附在鯊魚、海龜?shù)却笮秃Ｑ笊锷砩希酌赓M旅行家。由于該魚的游泳能力較差，所以它主要依靠頭部的吸盤吸附在游泳能力強(qiáng)的大型鯊魚或海獸的腹面，有時吸附于船底，以借此被帶到餌料豐富的海域，然后就脫離宿主，找尋食物。

對此，研究負(fù)責(zé)人文力副教授評價道：“這種‘搭便車’行為最大的優(yōu)點，就是能有效減少運動消耗的能量。”因此，他意識到這一仿生研究潛藏著巨大的應(yīng)用空間。

三大難關(guān)

關(guān)于該仿生機(jī)器人的研制過程，文力表示，先后主要遇到三大難題，而這三大難題即仿生機(jī)器人樣品的三大核心技術(shù)。

難題一|仿生材料

首先，在利用環(huán)掃電鏡、Micro CT、高速相機(jī)同步運動追蹤等生物測量手段，課題組獲得了？魚吸盤的宏觀與微尺度結(jié)構(gòu)、運動模式。

但如何制造該吸盤的模型呢？研究人員文力選擇采用3D打印技術(shù)，而此處就遇到了第一個難題：？魚的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，硬軟兼?zhèn)洌胀ǖ膯我徊牧?D打印根本無法實現(xiàn)。

對此，文力表示“如果只是簡單地把硬質(zhì)軟質(zhì)結(jié)構(gòu)拼接起來，應(yīng)力強(qiáng)度一大就會迅速疲勞并破碎。”

于是研究團(tuán)隊耗時一年，發(fā)明了材料剛度跨越3個數(shù)量級的3D打印技術(shù)，實現(xiàn)了復(fù)合材料3D打印一體化，以解決這第一大難題。

難題二|小刺

然而在仿生材料的挑選過程中，他們很快就遇到第二個難題。

在每一個？魚的吸盤上約有2000個錐狀小刺，這些小刺對于吸附的過程產(chǎn)生了很重要的作用。一般情況下，當(dāng)吸盤吸附在物體表面時，會產(chǎn)生較大的法向力，但是切向力并不大。小刺處于放松狀態(tài)時，吸附力小，脫落也相對容易。而當(dāng)小刺與吸附表面接觸時，就會同時產(chǎn)生較大的切向摩擦力，從而牢牢吸在物體表面。

對此，文力解釋道：“肌肉的運動需要消耗能量，當(dāng)驅(qū)動小刺的肌肉放松時，能量消耗會顯著減少，這是生物體具備的一種智能調(diào)控特性。”

所以，問題就來了，怎樣能夠找到這種既輕且強(qiáng)度高，還能嵌入鰭片中的材料呢？

經(jīng)過反復(fù)研究比較，最后文力選擇了碳纖維材料。但是要加工出如此微小的纖維結(jié)構(gòu)并不容易，課題組和哈佛大學(xué)Robert Wood實驗室一起攻關(guān)，借助該實驗室的高精度激光加工技術(shù)，在幾個月里不斷修改設(shè)計方案，終于加工出了尺度、形狀都和真實？魚結(jié)構(gòu)高度近似的硬質(zhì)小刺，并嵌入到復(fù)合材料的樣機(jī)鰭片中。

難題三|驅(qū)動

樣品做出來了，但最后一個難題來了，怎么讓其動起來？

傳統(tǒng)的電機(jī)重量/輸出力比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于生物，且不適合驅(qū)動這樣微小的鰭片結(jié)構(gòu)運動。為此，課題組制作了輕量化、防水的纖維增強(qiáng)軟體直線驅(qū)動器，實現(xiàn)了？魚吸盤內(nèi)部鰭片的微動，幅度約為150微米。

對于這四年的研究過程，文力說道：“通過這三項關(guān)鍵技術(shù)，我們成功實現(xiàn)了機(jī)器人樣機(jī)能夠像真正的？魚一樣牢牢吸附在物體表面，并且通過內(nèi)部鰭片的主動抬起運動顯著增大摩擦力。在此之前，整整四年，？魚項目上我們未發(fā)表一篇學(xué)術(shù)論文。”

總結(jié)

據(jù)了解，該研究項目歷時4年，涉及到生物力學(xué)、材料、化學(xué)、機(jī)器人等多個研究領(lǐng)域。文力為該項目負(fù)責(zé)人，論文的第一通訊作者。北航機(jī)械學(xué)院2015級研究生王越平、博士后楊興幫、哈佛大學(xué)Yufeng Chen博士為該文的共同第一作者。

此外，北京航空航天大學(xué)材料學(xué)院管娟副教授，化學(xué)學(xué)院的劉歡教授為該研究提供了材料動態(tài)性能測量、表面微觀結(jié)構(gòu)等方面的數(shù)據(jù)；哈佛大學(xué)Lauder實驗室提供了？魚吸盤的斷層掃描數(shù)據(jù)；哈佛大學(xué)Wood實驗室制作了微激光加工碳纖維小刺；北京航空航天大學(xué)2014級研究生龔哲元，2015級研究生劉澤民負(fù)責(zé)水下機(jī)器人的制作與演示。

基于生物體機(jī)制，這種機(jī)器人雖然吸附力可觀，卻不會對吸附表面造成破壞。該項研究在軍民領(lǐng)域都有良好的應(yīng)用前景，如在國防科技，水下救援、海洋生態(tài)檢測等方面，都可發(fā)揮重要作用。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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