北航聯(lián)合哈佛，研制出吸盤(pán)式仿生機器人

該研究具有廣泛的應用前景，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)于仿生機器人的論文，該論文詳細描述了以?魚(yú)軟體吸盤(pán)為原理的仿生機器人。據悉，該機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(yú)，又名吸盤(pán)魚(yú)，喜歡吸附在鯊魚(yú)、海龜等大型海洋生物身上，俗名免費旅行家。由于該魚(yú)的游泳能力較差，所以它主要依靠頭部的吸盤(pán)吸附在游泳能力強的大型鯊魚(yú)或海獸的腹面，有時(shí)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，研究負責人文力副教授評價(jià)道：“這種‘搭便車(chē)’行為最大的優(yōu)點(diǎn)，就是能有效減少運動(dòng)消耗的能量。”因此，他意識到這一仿生研究潛藏著(zhù)巨大的應用空間。

三大難關(guān)

關(guān)于該仿生機器人的研制過(guò)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、高速相機同步運動(dòng)追蹤等生物測量手段，課題組獲得了?魚(yú)吸盤(pán)的宏觀(guān)與微尺度結構、運動(dòng)模式。

但如何制造該吸盤(pán)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(gè)難題：?魚(yú)的結構復雜，硬軟兼備，普通的單一材料3D打印根本無(wú)法實(shí)現。

對此，文力表示“如果只是簡(jiǎn)單地把硬質(zhì)軟質(zhì)結構拼接起來(lái)，應力強度一大就會(huì )迅速疲勞并破碎。”

于是研究團隊耗時(shí)一年，發(fā)明了材料剛度跨越3個(gè)數量級的3D打印技術(shù)，實(shí)現了復合材料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(guò)程中，他們很快就遇到第二個(gè)難題。

在每一個(gè)?魚(yú)的吸盤(pán)上約有2000個(gè)錐狀小刺，這些小刺對于吸附的過(guò)程產(chǎn)生了很重要的作用。一般情況下，當吸盤(pán)吸附在物體表面時(shí)，會(huì )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(shí)，吸附力小，脫落也相對容易。而當小刺與吸附表面接觸時(shí)，就會(huì )同時(shí)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(dòng)需要消耗能量，當驅動(dòng)小刺的肌肉放松時(shí)，能量消耗會(huì )顯著(zhù)減少，這是生物體具備的一種智能調控特性。”

所以，問(wèn)題就來(lái)了，怎樣能夠找到這種既輕且強度高，還能嵌入鰭片中的材料呢？

經(jīng)過(guò)反復研究比較，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構并不容易，課題組和哈佛大學(xué)Robert Wood實(shí)驗室一起攻關(guān)，借助該實(shí)驗室的高精度激光加工技術(shù)，在幾個(gè)月里不斷修改設計方案，終于加工出了尺度、形狀都和真實(shí)?魚(yú)結構高度近似的硬質(zhì)小刺，并嵌入到復合材料的樣機鰭片中。

難題三|驅動(dòng)

樣品做出來(lái)了，但最后一個(gè)難題來(lái)了，怎么讓其動(dòng)起來(lái)？

傳統的電機重量/輸出力比例遠遠低于生物，且不適合驅動(dòng)這樣微小的鰭片結構運動(dòng)。為此，課題組制作了輕量化、防水的纖維增強軟體直線(xiàn)驅動(dòng)器，實(shí)現了?魚(yú)吸盤(pán)內部鰭片的微動(dòng)，幅度約為150微米。

對于這四年的研究過(guò)程，文力說(shuō)道：“通過(guò)這三項關(guān)鍵技術(shù)，我們成功實(shí)現了機器人樣機能夠像真正的?魚(yú)一樣牢牢吸附在物體表面，并且通過(guò)內部鰭片的主動(dòng)抬起運動(dòng)顯著(zhù)增大摩擦力。在此之前，整整四年，?魚(yú)項目上我們未發(fā)表一篇學(xué)術(shù)論文。”

總結

據了解，該研究項目歷時(shí)4年，涉及到生物力學(xué)、材料、化學(xué)、機器人等多個(gè)研究領(lǐng)域。文力為該項目負責人，論文的第一通訊作者。北航機械學(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(dòng)態(tài)性能測量、表面微觀(guān)結構等方面的數據；哈佛大學(xué)Lauder實(shí)驗室提供了?魚(yú)吸盤(pán)的斷層掃描數據；哈佛大學(xué)Wood實(shí)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級研究生劉澤民負責水下機器人的制作與演示。

基于生物體機制，這種機器人雖然吸附力可觀(guān)，卻不會(huì )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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