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2 # 四眼蛇
咱對仿生學也沒啥研究啊,想了半天才發現生活中的形形色色都和仿生搭邊兒。衣服大概仿的是動物毛皮,武器仿的是尖牙利齒,房子是巢穴,汽車還有New Beetle呢。人類的大腦雖然發達,但仍然只能在已知範圍內推理.延展,仿仿動植物,中國龍還有九似呢。無中生有是個高級別的技術活兒,人類什麼時候掌握了,大概是另外一個境界吧
咱對仿生學也沒啥研究啊,想了半天才發現生活中的形形色色都和仿生搭邊兒。衣服大概仿的是動物毛皮,武器仿的是尖牙利齒,房子是巢穴,汽車還有New Beetle呢。人類的大腦雖然發達,但仍然只能在已知範圍內推理.延展,仿仿動植物,中國龍還有九似呢。無中生有是個高級別的技術活兒,人類什麼時候掌握了,大概是另外一個境界吧
什麼是仿生學
仿生學(Bionics)是研究生物系統的結構、性狀、原理、行為,為工程技術提供新的設計思想、工作原理和系統構成的技術科學,是一門生命科學、物質科學、數學與力學、資訊科學、工程技術以及系統科學等學科的交叉學科。仿生學為科學技術創新提供了新思路,新原理和新理論。 人類可以在生物界本身和大自然中去尋找、學習和模仿,從中找出解決目前人類科技發展面臨的諸多問題的答案和方法。
仿生學的案例大家耳熟能詳的諸如飛機、雷達之類的我就不說了。今天說點新鮮的,和大家分享一下我們學校一個老師和他的團隊近些年在仿生學相關領域的研究成果,他們致力於仿生軟體機器人的研究和開發。主要是利用自然界生物的吸附特性。生物系統的吸附機制可分為互鎖、摩擦和黏結。
今天我主要介紹該團隊仿生研究的兩個物件:鮣魚和章魚。
鮣魚很多人可能都沒聽過這個魚,那就先來看看鮣魚有什麼特點:
體極為延長,頭部扁平,向後漸成圓柱狀,頂端有由第一背鰭變形而成的吸盤,其鰭條由盤中央向兩側裂生成為鰭瓣(laminae)約有21-28個;尾柄細,前端圓柱狀,後端漸側扁。吻平扁,前端略尖。口大,口裂寬,不可伸縮,下頜前突;上下頜、鋤骨、顎骨及舌上均具齒。體被小圓鱗,除頭部及吸盤無鱗外,全身均被鱗。背鰭兩個,第一背鰭變形而成吸盤,第二背鰭和臀鰭相對;腹鰭胸位,小形;胸鰭尖圓;尾鰭尖長。體色棕黃或黑色,體側經常有一暗色水平狹帶,較眼徑為寬,由下頜端經眼達尾鰭基底。
好啦,看了這麼一大段,其最重要的特徵就是頂端有由第一背鰭變形而成的吸盤。
下圖是我在大連老虎灘海洋公園拍到的鮣魚,顯而易見,它們的吸盤具有很強的吸附能力,憑藉頂部的吸盤,鮣魚可以吸附在牆壁上休息,怡然自得。
正是由於其這種吸附的“特異功能”,它們可以靠著吸盤吸附在船底或其它大魚遠遊,當到達餌料豐富的海區,便脫離宿主,攝取食物。然後再吸附於新的宿主,繼續向另外海區轉移。鮣魚這種習性,可以大大減少自身的能量消耗,以最小的努力遠距離運輸,真真是聰明魚!
鮣魚可以吸附在船底、魚類等多種宿主上:
魚吸盤透過吸附可以節省在水下的動力,同時其吸附力的大小可透過自身自動調節,因此具備很好的仿生學前景。如果我們可以借鑑鮣魚的效能,開發出高效能的仿生機器人系統,那就可以為實現在水下的低功耗作業提供一個新的思路。
針對其吸盤的結構和機理,有研究表明:
鮣魚吸盤被一圈柔軟的唇圈組織所環繞,吸盤內部有多排連續櫛狀的鰭片,沿著中間鰭條向後延伸,鰭片底部嵌入到組織肌肉中,能夠在吸附和脫附調節過程中主動地抬起或落下,在鰭片的頂部邊緣上有二到四排向後傾斜的硬質小刺結構,以增大鮣魚吸盤與宿主表面之間的摩擦力,抵抗水流的衝擊。在吸附過程中,鰭片透過肌肉控制向上抬起使得吸盤內部的體積增大,從而產生相較於外界環境的負壓。對吸盤樣本的解剖發現鮣魚吸盤底部的豎立肌和降肌分別控制鰭片抬起和落下運動。鮣魚鰭片上硬質小刺的存在不但能夠增大摩擦力,也能夠增大吸附力。
下圖中圖A就是鮣魚頭頂部的吸盤結構,圖B是基於micro CT資料的吸盤三維重建模型,圖C是對應的CAD模型,圖D是製作出的仿生模型。具體實現過程極其艱難和複雜,這裡我不贅述,感興趣的同學可以查閱相關論文。
實驗人員將上圖D所示的仿生鮣魚吸盤樣機安裝到一個小型水下航行器的頭部,然後進行吸附運動實驗。結果表明,利用仿生吸盤,航行器能夠有效地吸附到各種表面上以節省遊動能量。這種仿生軟體吸附機器人水下救援、海洋生態檢測等眾多領域可發揮重要作用。
章魚章魚觸手的剛度可以自由地改變。利用觸手上的多個負壓吸附的吸盤,章魚能夠實現固定自身、抓取物體、感知外界環境等功能。利用章魚觸手的特點,可研究開發軟體機器人,以彌補現存剛性機器人的不足。
義大利理工學院Tramacere F揭示了章魚的吸盤機構和吸附機理:
章魚吸盤連續性吸附的過程是透過髖臼頂部凸起進而密封髖臼與漏斗形部分之間的孔來實現。如階段1:漏斗形部分肌肉收縮增大吸盤與表面間的接觸面積並形成密封;階段2: 髖臼肌肉收縮以增強吸附並將水分擠入上部;階段3:髖臼徑向肌肉收縮以增強吸附;階段4:完成吸附。章魚吸盤能夠利用很小的能量損耗來完成長時間的吸附, 同時髖臼結構對吸盤吸附起到至關重要的作用。
傳統剛性機器人存在很多侷限,由於其製作材料等限制,在靈活性、安全性等眾多方面存在不足,也容易對夾取物造成損壞。研究人員從章魚觸手的“纏繞+吸附”特性中汲取了新的靈感。
進一步地,該團隊研究人員發現,錐度角的不同對其吸附能力產生了影響:
基於上述基礎,該團隊與德國一家知名機器人公司合作開發了軟體章魚觸手機器人(Soft Robotic Octopus Tentacle),相關成果發表在《Soft Robotics》上。德國總理默克爾還曾在漢諾威工業展上詳細瞭解過該軟體機器人:
相較於剛性傳統機器人,仿生軟體觸手的優勢顯而易見:
1)柔韌性高,更加靈活
2)吸附能力強
3)穩定性好
但該軟體機器人存在一定的弊端:
1)過硬的吸盤在粗糙表面上由於變形不足無法嚴密封合;
2)過軟的吸盤自身容易發生較大形變。
二者都對吸附力產生一定的影響。
於是該團隊又聯合其他研究組為解決這個問題,開發了剛度連續可調油水凝膠材料並用於軟體機器人上,實現了多級連續變剛度吸附與抓持。
仿生軟體抓取機器人,可為未來醫療微創手術機器人、軟體操作,水下機器人等領域提供新的思路。
總結以上兩個例子都是我身邊的老師在仿生學領域的研究成果,既有趣又實用。大自然是人類最好的老師,自然界中生物結構的多樣性為仿生學的研究奠定了基礎也提供了無限的可能。近年來,仿生學研究蓬勃發展,其相關成果在軍事、生物、醫學、能源等領域被廣泛應用,促進了相關行業技術的發展。 隨著研究的進一步深入,其必將會給我們普通人的生活帶來越來越多的影響。
科技改變生活,仿生大有可為!
參考[1] https://baike.baidu.com/item/%E9%AE%A3%E9%B1%BC/958014?fr=aladdin.
[2] A biorobotic adhesive disc for underwater hitchhiking inspired by the remora suckerfish.
[3] The morphology and adhesion mechanism of Octopus vulgaris suckers.
[4] Structure and mechanical properties of Octopus vulgaris suckers.
[5] Octopus arm-inspired tapered soft actuators with suckers for improved grasping.
[6] http://www.me.buaa.edu.cn/info/1129/2924.htm.
[7] Complex multiphase organohydrogels with programmable mechanics toward adaptive soft-matter machines.