趣科學(xué)-從魚(yú)中獲取機(jī)器人靈感

著名科技媒體報(bào)道這項(xiàng)研究工作

導(dǎo)語(yǔ)：

北京時(shí)間2017年9月21日，國(guó)際頂級(jí)期刊《科學(xué)》（Science）機(jī)器人子刊《科學(xué)機(jī)器人學(xué)》以長(zhǎng)文(Research Article)刊登了由北京航空航天大學(xué)文力副教授課題組牽頭，與美國(guó)哈佛大學(xué)課題組合作研制的最新研究成果“仿生?魚(yú)軟體吸盤(pán)機(jī)器人”（A biorobotic adhesive disc for underwater hitchhiking inspired bythe remora suckerfish）。同日，麻省理工科技評(píng)論也報(bào)道了該項(xiàng)研究。研究揭示了魚(yú)的吸附機(jī)制，并為未來(lái)的低功耗水下仿生軟體機(jī)器人、水下吸附裝置提供了新思路。文章的第一作者為機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院博士研究生王越平，通訊作者為機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院、國(guó)際交叉科學(xué)研究院仿生軟體機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室文力副教授。

機(jī)械手使用仿生吸盤(pán)來(lái)抓取物品

與海洋生物的淵源

從2014年的3D打印人造仿生鯊魚(yú)皮到2017年的軟體章魚(yú)觸手機(jī)器人原理樣機(jī)，文力老師的多數(shù)研究都跟海洋生物密不可分。數(shù)萬(wàn)年的進(jìn)化讓這些生物對(duì)周?chē)h(huán)境游刃有余，鯊魚(yú)龐大的身軀有著光滑的皮膚，使它能在水中快速移動(dòng)并捕食獵物，章魚(yú)觸手的靈活性讓它在行動(dòng)和進(jìn)食過(guò)程中保持優(yōu)勢(shì)?？茖W(xué)家們一直在研究如何能將這些精妙的結(jié)構(gòu)和組織化為己用，來(lái)改善人們的生活。

四年前，文力老師在哈佛大學(xué)主攻鯊魚(yú)仿生方向，當(dāng)他仔細(xì)觀(guān)察鯊魚(yú)照片的時(shí)候，偶然注意到鯊魚(yú)皮上附著著一種其他的魚(yú)類(lèi)。經(jīng)過(guò)標(biāo)本庫(kù)查證后，具有很強(qiáng)吸附能力的魚(yú)給文力老師留下了深刻的印象?；貒?guó)后，他便立即著手對(duì)魚(yú)的研究，文力老師在長(zhǎng)期研究中積攢的豐富經(jīng)驗(yàn)，以及實(shí)驗(yàn)室完整的水動(dòng)力學(xué)和水下測(cè)試設(shè)備，都對(duì)該項(xiàng)研究的開(kāi)展奠定了良好基礎(chǔ)。

“3D打印人造仿生鯊魚(yú)皮”

軟體章魚(yú)觸手機(jī)器人原理樣機(jī)

有趣的魚(yú)

魚(yú)主要根據(jù)它的宿主來(lái)區(qū)分類(lèi)別，由于文力老師對(duì)鯊魚(yú)的熟悉，吸附于鯊魚(yú)身上的魚(yú)就成了他的首要研究目標(biāo)。魚(yú)自身遷徙能力不強(qiáng)，但它和鯊魚(yú)一樣喜歡冬暖夏涼，在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中，它頭部的第一背鰭進(jìn)化成一個(gè)分叉且平滑的吸盤(pán)，吸盤(pán)內(nèi)部有上千根排列整齊的小尖刺，使吸盤(pán)具有很強(qiáng)的吸附能力，被吸附的海豚越出水面高速旋轉(zhuǎn)也無(wú)法甩掉它。因此魚(yú)可以通過(guò)吸附宿主來(lái)完成遷徙，這個(gè)行為被生物學(xué)家形象的稱(chēng)為“搭順風(fēng)車(chē)”。

吸附在宿主身上的魚(yú)（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

永不停息的探索

關(guān)鍵技術(shù)突破的背后離不開(kāi)科研人員的不懈努力。在對(duì)生物吸盤(pán)內(nèi)部鰭片運(yùn)動(dòng)學(xué)的觀(guān)測(cè)中，魚(yú)可不會(huì)乖乖吸在玻璃壁上任人拍攝，如何能夠完整拍攝到鰭片運(yùn)動(dòng)過(guò)程是團(tuán)隊(duì)的首個(gè)難題。經(jīng)過(guò)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)時(shí)間的思考，決定在一個(gè)光學(xué)平臺(tái)上搭建觀(guān)測(cè)平臺(tái)，用兩臺(tái)高速相機(jī)同步觸發(fā)拍攝吸盤(pán)內(nèi)部（觀(guān)察吸盤(pán)組織具體活動(dòng)）和吸盤(pán)側(cè)面（證明吸盤(pán)處于吸附狀態(tài)），通過(guò)處理后的視頻資料得到有效的鰭片運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。

仿生模具（除上面的小刺之外）由多材料3D打印一次成形。設(shè)計(jì)之初由于僅用軟硬兩種材料來(lái)制作模具，導(dǎo)致樣機(jī)吸附性不好且易開(kāi)裂。不斷嘗試改良后，團(tuán)隊(duì)意識(shí)到人類(lèi)的肌肉和骨骼之間是由半月板、韌帶等組織逐漸過(guò)渡的，因此使用梯度硬度材料進(jìn)行3D打印來(lái)解決材質(zhì)的模擬問(wèn)題。吸盤(pán)上的小刺尺度小且尖硬，3D打印技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足要求的精度和硬度，于是文力老師課題組與美國(guó)哈佛大學(xué)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)合作，利用激光雕刻技術(shù)制造了尺度、形狀都和真實(shí)魚(yú)高度相似的硬質(zhì)小刺并在測(cè)試中效果較好。

梯度變化的3D打印示意圖

此外，一體打印成形的樣機(jī)因轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的存在，吸盤(pán)基板上留有空隙，對(duì)吸附性能會(huì)產(chǎn)生很大影響。于是團(tuán)隊(duì)更換為上下封底的方案，在外側(cè)用橡皮泥密封，另一側(cè)澆灌軟質(zhì)硅膠材料，凝固后再把橡皮泥沖洗掉，并澆灌相同的硅膠材料。這樣既實(shí)現(xiàn)了密封，又不影響鰭片傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)。前后共修改二十余版本才有現(xiàn)在的軟體機(jī)器人樣機(jī)。

軟體機(jī)器人樣機(jī)

結(jié)語(yǔ)：

此項(xiàng)目持續(xù)四年之久，期間多名碩士生博士生參與了研究?？蒲胁粫?huì)止于一篇論文的發(fā)表，這僅僅是一個(gè)開(kāi)端。仿生科技是大自然鬼斧神工和人類(lèi)科技智慧的共同結(jié)晶，我們相信，憑借文力老師執(zhí)著的海洋情懷，他將會(huì)在仿生學(xué)領(lǐng)域取得更多成果。

更多資料：

論文鏈接:

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

Science/AAAS multimedia報(bào)道鏈接：

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

MIT Technology Review報(bào)道鏈接:

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

Biomechanics and Soft Robotics Lab報(bào)道鏈接:

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

策劃/文案：曹嘉輝

采訪(fǎng)：譚莉莎、曹嘉輝、李明珠

設(shè)計(jì)：任天妹