北航联合哈佛，研制出吸盘式仿生机器人
2017-10-19 15:48:11
作者：本网整理 来源：镁客网
该研究具有广泛的应用前景，如在国防科技，水下救援、海洋生态检测等领域，都可发挥重要的作用。
21日，《科学》杂志发表了一篇关于仿生机器人的论文，该论文详细描述了以䲟鱼软体吸盘为原理的仿生机器人。据悉，该机器人由北京航空航天大学和哈佛大学的研究人员共同研制，其中北京航空航天大学为该研究的第一单位和第一通讯单位。
启发
䲟鱼，又名吸盘鱼，喜欢吸附在鲨鱼、海龟等大型海洋生物身上，俗名免费旅行家。由于该鱼的游泳能力较差，所以它主要依靠头部的吸盘吸附在游泳能力强的大型鲨鱼或海兽的腹面，有时吸附于船底，以借此被带到饵料丰富的海域，然后就脱离宿主，找寻食物。
对此，研究负责人文力副教授评价道：“这种‘搭便车’行为最大的优点，就是能有效减少运动消耗的能量。”因此，他意识到这一仿生研究潜藏着巨大的应用空间。
三大难关
关于该仿生机器人的研制过程，文力表示，先后主要遇到三大难题，而这三大难题即仿生机器人样品的三大核心技术。
难题一|仿生材料
首先，在利用环扫电镜、Micro CT、高速相机同步运动追踪等生物测量手段，课题组获得了？鱼吸盘的宏观与微尺度结构、运动模式。
但如何制造该吸盘的模型呢？研究人员文力选择采用3D打印技术，而此处就遇到了第一个难题：？鱼的结构复杂，硬软兼备，普通的单一材料3D打印根本无法实现。
对此，文力表示“如果只是简单地把硬质软质结构拼接起来，应力强度一大就会迅速疲劳并破碎。”
于是研究团队耗时一年，发明了材料刚度跨越3个数量级的3D打印技术，实现了复合材料3D打印一体化，以解决这第一大难题。
难题二|小刺
然而在仿生材料的挑选过程中，他们很快就遇到第二个难题。
在每一个？鱼的吸盘上约有2000个锥状小刺，这些小刺对于吸附的过程产生了很重要的作用。一般情况下，当吸盘吸附在物体表面时，会产生较大的法向力，但是切向力并不大。小刺处于放松状态时，吸附力小，脱落也相对容易。而当小刺与吸附表面接触时，就会同时产生较大的切向摩擦力，从而牢牢吸在物体表面。
对此，文力解释道：“肌肉的运动需要消耗能量，当驱动小刺的肌肉放松时，能量消耗会显著减少，这是生物体具备的一种智能调控特性。”
所以，问题就来了，怎样能够找到这种既轻且强度高，还能嵌入鳍片中的材料呢？
经过反复研究比较，最后文力选择了碳纤维材料。但是要加工出如此微小的纤维结构并不容易，课题组和哈佛大学Robert Wood实验室一起攻关，借助该实验室的高精度激光加工技术，在几个月里不断修改设计方案，终于加工出了尺度、形状都和真实？鱼结构高度近似的硬质小刺，并嵌入到复合材料的样机鳍片中。
难题三|驱动
样品做出来了，但最后一个难题来了，怎么让其动起来？
传统的电机重量/输出力比例远远低于生物，且不适合驱动这样微小的鳍片结构运动。为此，课题组制作了轻量化、防水的纤维增强软体直线驱动器，实现了？鱼吸盘内部鳍片的微动，幅度约为150微米。
对于这四年的研究过程，文力说道：“通过这三项关键技术，我们成功实现了机器人样机能够像真正的？鱼一样牢牢吸附在物体表面，并且通过内部鳍片的主动抬起运动显著增大摩擦力。在此之前，整整四年，？鱼项目上我们未发表一篇学术论文。”
总结
据了解，该研究项目历时4年，涉及到生物力学、材料、化学、机器人等多个研究领域。文力为该项目负责人，论文的第一通讯作者。北航机械学院2015级研究生王越平、博士后杨兴帮、哈佛大学Yufeng Chen博士为该文的共同第一作者。
此外，北京航空航天大学材料学院管娟副教授，化学学院的刘欢教授为该研究提供了材料动态性能测量、表面微观结构等方面的数据；哈佛大学Lauder实验室提供了？鱼吸盘的断层扫描数据；哈佛大学Wood实验室制作了微激光加工碳纤维小刺；北京航空航天大学2014级研究生龚哲元，2015级研究生刘泽民负责水下机器人的制作与演示。
基于生物体机制，这种机器人虽然吸附力可观，却不会对吸附表面造成破坏。该项研究在军民领域都有良好的应用前景，如在国防科技，水下救援、海洋生态检测等方面，都可发挥重要作用。
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