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趣科学-从鱼中获取机器人灵感

著名科技媒体报道这项研究工作

导语:

北京时间2017年9月21日,国际顶级期刊《科学》(Science)机器人子刊《科学机器人学》以长文(Research Article)刊登了由北京航空航天大学文力副教授课题组牵头,与美国哈佛大学课题组合作研制的最新研究成果“仿生䲟鱼软体吸盘机器人”(A biorobotic adhesive disc for underwater hitchhiking inspired bythe remora suckerfish)。同日,麻省理工科技评论也报道了该项研究。研究揭示了鱼的吸附机制,并为未来的低功耗水下仿生软体机器人、水下吸附装置提供了新思路。文章的第一作者为机械工程与自动化学院博士研究生王越平,通讯作者为机械工程及自动化学院、国际交叉科学研究院仿生软体机器人实验室文力副教授。

 

机械手使用仿生吸盘来抓取物品  

与海洋生物的渊源

从2014年的3D打印人造仿生鲨鱼皮到2017年的软体章鱼触手机器人原理样机,文力老师的多数研究都跟海洋生物密不可分。数万年的进化让这些生物对周围环境游刃有余,鲨鱼庞大的身躯有着光滑的皮肤,使它能在水中快速移动并捕食猎物,章鱼触手的灵活性让它在行动和进食过程中保持优势。科学家们一直在研究如何能将这些精妙的结构和组织化为己用,来改善人们的生活。

四年前,文力老师在哈佛大学主攻鲨鱼仿生方向,当他仔细观察鲨鱼照片的时候,偶然注意到鲨鱼皮上附着着一种其他的鱼类。经过标本库查证后,具有很强吸附能力的鱼给文力老师留下了深刻的印象。回国后,他便立即着手对鱼的研究,文力老师在长期研究中积攒的丰富经验,以及实验室完整的水动力学和水下测试设备,都对该项研究的开展奠定了良好基础。

 

“3D打印人造仿生鲨鱼皮”  

软体章鱼触手机器人原理样机  

有趣的鱼

鱼主要根据它的宿主来区分类别,由于文力老师对鲨鱼的熟悉,吸附于鲨鱼身上的鱼就成了他的首要研究目标。鱼自身迁徙能力不强,但它和鲨鱼一样喜欢冬暖夏凉,在长期的进化过程中,它头部的第一背鳍进化成一个分叉且平滑的吸盘,吸盘内部有上千根排列整齐的小尖刺,使吸盘具有很强的吸附能力,被吸附的海豚越出水面高速旋转也无法甩掉它。因此鱼可以通过吸附宿主来完成迁徙,这个行为被生物学家形象的称为“搭顺风车”。

吸附在宿主身上的鱼(图片来自网络)  

永不停息的探索

关键技术突破的背后离不开科研人员的不懈努力。在对生物吸盘内部鳍片运动学的观测中,鱼可不会乖乖吸在玻璃壁上任人拍摄,如何能够完整拍摄到鳍片运动过程是团队的首个难题。经过团队长时间的思考,决定在一个光学平台上搭建观测平台,用两台高速相机同步触发拍摄吸盘内部(观察吸盘组织具体活动)和吸盘侧面(证明吸盘处于吸附状态),通过处理后的视频资料得到有效的鳍片运动数据。

仿生模具(除上面的小刺之外)由多材料3D打印一次成形。设计之初由于仅用软硬两种材料来制作模具,导致样机吸附性不好且易开裂。不断尝试改良后,团队意识到人类的肌肉和骨骼之间是由半月板、韧带等组织逐渐过渡的,因此使用梯度硬度材料进行3D打印来解决材质的模拟问题。吸盘上的小刺尺度小且尖硬,3D打印技术无法满足要求的精度和硬度,于是文力老师课题组与美国哈佛大学的国际团队合作,利用激光雕刻技术制造了尺度、形状都和真实鱼高度相似的硬质小刺并在测试中效果较好。

梯度变化的3D打印示意图

此外,一体打印成形的样机因转动机构的存在,吸盘基板上留有空隙,对吸附性能会产生很大影响。于是团队更换为上下封底的方案,在外侧用橡皮泥密封,另一侧浇灌软质硅胶材料,凝固后再把橡皮泥冲洗掉,并浇灌相同的硅胶材料。这样既实现了密封,又不影响鳍片传动机构的转动。前后共修改二十余版本才有现在的软体机器人样机。

软体机器人样机  

结语:

此项目持续四年之久,期间多名硕士生博士生参与了研究。科研不会止于一篇论文的发表,这仅仅是一个开端。仿生科技是大自然鬼斧神工和人类科技智慧的共同结晶,我们相信,凭借文力老师执着的海洋情怀,他将会在仿生学领域取得更多成果。

 

更多资料:

论文链接:

http://robotics.sciencemag.org/content/2/10/eaan8072

Science/AAAS multimedia报道链接:

http://www.sciencemag.org/news/2017/09/robotic-remora-can-cling-objects-force-340-times-its-own-weight

MIT Technology Review报道链接:

https://www.technologyreview.com/the-download/608916/scientists-have-built-a-shark-sucking-robot-that-is-hideous-and-cool/

Biomechanics and Soft Robotics Lab报道链接:

http://softrobotics.buaa.edu.cn/home/index.htm

策划/文案:曹嘉辉

采访:谭莉莎、曹嘉辉、李明珠

设计:任天妹

技术:曹嘉辉

鸣谢:机械工程及自动化学院、国际交叉科学研究院仿生软体机器人实验室

编审:门户网站总编总监工作室

投稿:geoos@buaa.edu.cn

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