作者:Robert J. Full 来源:Robert J. Full 发布时间:2016/2/18 11:14:04
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科学家摸清蟑螂因何“宁弯不折”
据此设计的新型机器人有望用于救灾探测

 

美洲大蠊

昆虫,无论它们是爬行还是飞翔,都生活在一个艰苦困顿的世界里。谁不曾踩到过一只蟑螂,然而抬起脚却看到这种动物一跃而起并迅速跑到门缝下逃之夭夭。如今,研究人员正在学习这些生物是如何做到弯曲而不被折断的。

这项研究的结果远非解释为什么蟑螂很难被杀死那么简单。通过模拟赋予昆虫外骨骼和翅膀恢复力的刚性及柔性部分,生物机械学家正在制造更加强健的机器人。这种新型机器人可抗压、降低身形、钻入缝隙,今后或许可以用于救灾探测。

蟑螂具有极强的生命力。蟑螂在实验室测试中受力相当于体重900倍,却不会受伤。其中美洲种属蟑螂的行进速度能达到每秒近1.5米,相当于其身体长度的50倍。

“在这些昆虫中经常会发生弯曲却不会被折断的情况。”美国哈佛大学机器人专家Robert Wood说,“我们正在做着相同的事情,那就是看看能否让我们的机器人也具有类似的鲁棒性。”

直到最近,为了应对艰难而混乱的世界,大部分的工程师还是通过让机械坚硬和强健抑或足够敏捷从而规避危险。现代汽车则包含了第三种方法——它们通过扭曲,牺牲结构从而保护乘坐者来吸收撞击。

“大自然想出了一个我们没有的策略。”亚特兰大市佐治亚理工学院机械工程师David Hu说,“那就是,折叠……然后继续前进。”

为了搞清蟑螂如何实现这一点,加利福尼亚大学伯克利分校综合生物学家Robert Full与博士生Kaushik Jayaram哄诱昆虫通过很小的狭缝或紧缩的隧道,同时用一台高速视频摄像机对这一过程进行了拍摄。研究人员同时还在昆虫身体的不同部位放置了最多100克的重物,从而观察这些动物是如何“崩溃”的。

Full和Jayaram发现,美洲大蠊(Periplaneta americana)身处两块“夹板”之间,当甲板间隔大约1.27厘米、与“身高”相当时,蟑螂自由行走;间隔调整为0.6厘米、远低于身高时,蟑螂依然全速行进;当间隔仅为0.25厘米,它们会在夹板之间挤压自己的身体,强行通过。

Jayaram认为,在狭小空间或缝隙内,蟑螂的腿脚受朝向限制,无法正常发挥作用,移动时不得不利用身体其他部位。具体而言,处于受挤压状态时,蟑螂凭借胫节上带有感知能力的刺毛,与夹板摩擦,推动自己。

蟑螂的外骨骼和昆虫的翅膀为机器人的设计带来了灵感。Jayaram如今制造了一个75毫米高的机器人,取名CRAM。当受到上下挤压时,CRAM的“腿脚”可以向两侧张开。只是,与蟑螂相比,这一机器人受挤压能力大为逊色,高度只能降低至正常“身高”的一半。

这种机器人的制作工艺类似于手工折纸,简单且成本低廉,目前由加州大学伯克利分校下属一家企业制作成套件,供机器人爱好者自行组装。

Full和Jayaram在美国《国家科学院院刊》发表论文称,在龙卷风、地震和爆炸等场合,现有绝大多数机器人无法进入废墟,而柔性机器人可通行无阻,帮助探知所处区域是否稳定和安全,发现幸存者所在位置,确定救援人员进入路径。

Full说,昆虫无所不在,可以说是地球上“最成功的动物”,借鉴昆虫可以让机器人具备类似的能力;借鉴蟑螂的机器人只是原型,却显示沿着一个新方向开发柔性机器人的可行性。

Hu为这种源自昆虫的设计而喝彩。“真高兴能够看到越来越多这样能够承受潜在损害的机器人问世。”至于说如何才能干掉一只蟑螂,Jarayam建议,把你的鞋拍得狠一点,并且小点声(来源:中国科学报 赵熙熙)

 
 
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