趣科学-从鱼中获取机器人灵感

发布时间：2017-10-27 点击：[]

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。