【點贊】歷時4年，北航團隊用3D打印造出仿生䲟魚軟體吸盤機器人

▲《Science Robotics》論文封面及截圖

多姿多彩的大自然，總能給人類無窮無盡的靈感，因而造就了很多科學技術(shù)的發(fā)明。人們模仿生物的特殊本領(lǐng)，利用生物結(jié)構(gòu)和功能原理，研制機械或各種新技術(shù)，這就是仿生學。而今，又一項精彩的仿生學成果在北京航空航天大學誕生了。

9月21日，國際頂級期刊《科學》（Science）雜志機器人子刊《科學·機器人學》（Science Robotics）以長篇封面報道刊登北京航空航天大學文力副教授課題組牽頭、與哈佛大學合作的科研團隊最新研究成果 — 仿生䲟魚軟體吸盤機器人。北京航空航天大學為該論文的第一單位、通訊單位。這也是我國在《科學·機器人學》上發(fā)表的首篇論文。雜志官方通過圖文、多媒體兩種形式詳細撰文介紹了該項研究。

從一張圖片得到靈感，前后耗時四年，攻克三大難關(guān)……文力把一臺小小的機器人放在掌心，娓娓道來一段精彩的科研故事。


好奇心始自一張圖片

人們常常感嘆于造物主的神奇。在浩瀚的海洋里，有一種身體細長的䲟魚，在漫長的進化中，它的第一背鰭變成吸盤，從而可以吸附在船底和鯊魚、鰩魚、鯨魚等其他大魚身上遠游和索食，被形象地稱為“搭順風車”。在很多海洋大型魚類的圖片中，緊緊吸附的䲟魚身影十分常見。

▲海洋中的䲟魚（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

看到這樣一張圖片時，文力正在從事3D打印鯊魚皮的研究。他的目光立刻被鯊魚身上這種體態(tài)奇特的小魚吸引住了。

“這種‘搭便車’行為最大的優(yōu)點，就是能有效減少運動消耗的能量�！蔽牧�回憶，一直從事仿生軟體機器人研究的他當即對此產(chǎn)生了興趣，并隱約感到其中存在巨大的應(yīng)用空間。他當即在谷歌上搜索了關(guān)于䲟魚的吸附機理和仿生應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)“基本是一片空白”，這一年是2013年。

早在古希臘時期，先哲亞里士多德就在著作中記載了壁虎的爬行現(xiàn)象�，F(xiàn)在，科學家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)壁虎腳對垂直表面的超強粘附力來自于分子間的范德華力，并產(chǎn)生了諸多仿生學應(yīng)用，研究相對透徹。但是，范德華力在水下的作用有限，水生生物如何實現(xiàn)超強吸附？“水下壁虎”䲟魚的吸盤是如何發(fā)揮作用、又能怎樣應(yīng)用于人類生產(chǎn)生活？文力下定決心一探究竟。

于是，文力的團隊從中國福建以及南海區(qū)域購買了多批䲟魚，小心地空運回北京。在實驗室，他們?nèi)斯��?chuàng)設(shè)出海水環(huán)境，架設(shè)起一系列觀察研究設(shè)備。對運輸過程中死亡的魚，也做了全方位的解剖和分析，弄清了䲟魚的身體結(jié)構(gòu)。于是，團隊決定投入制作仿生機器人，真正的挑戰(zhàn)開始了。


逐步攻克“三大難關(guān)”

談起仿生機器人的研制過程，當時無數(shù)個不眠夜，今天談來已是云淡風輕。文力說，團隊先后遭遇了“三大難關(guān)”，這也是如今樣機成品上的三個核心技術(shù)。

䲟魚頭部吸盤的結(jié)構(gòu)十分精妙復(fù)雜，被生物學家稱作“脊椎動物解剖學上最奇妙的結(jié)構(gòu)之一”。課題組遭遇的第一個難關(guān)就出現(xiàn)在吸盤的制作上。

此前，利用環(huán)掃電鏡、Micro CT、高速相機同步運動追蹤等生物測量手段，課題組獲得了䲟魚吸盤的宏觀與微尺度結(jié)構(gòu)、運動模式。他們發(fā)現(xiàn)，䲟魚頭部吸盤主要由三部分組成：吸盤外周的唇圈，由柔性的肌原纖維組成，主要產(chǎn)生負壓；吸盤內(nèi)部的硬質(zhì)鰭片結(jié)構(gòu)，外表包裹厚度約500微米的軟組織，可由肌肉驅(qū)動產(chǎn)生法向微動；鰭片上的錐狀小刺結(jié)構(gòu)，底部直徑約200微米，頂端為1-5微米。

有了這些數(shù)據(jù)，如何制作吸盤模型？文力第一時間想到了利用3D打印技術(shù)，但吸盤結(jié)構(gòu)精妙，硬軟兼?zhèn)�，常�?guī)的單一材料3D打印無法實現(xiàn)。

“如果只是簡單地把硬質(zhì)軟質(zhì)結(jié)構(gòu)拼接起來，應(yīng)力強度一大就會迅速疲勞并破碎。”文力說，課題組借鑒參考了多種脊椎動物的機體連結(jié)結(jié)構(gòu)，前后耗時約一年，終于突破技術(shù)難關(guān)，利用復(fù)合多材料3D打印實現(xiàn)一體化樣機成形。吸盤樣機材料的剛度逐級梯度地跨越了3個數(shù)量級（相當于從人體的皮膚到骨骼硬度變化），這項技術(shù)還申請了國家發(fā)明專利。盡管如此，課題組還參照䲟魚的真實比例，適度加寬了軟體唇圈部分，使樣機能產(chǎn)生更強的吸附力。

▲仿生軟體䲟魚吸盤與生物吸盤對比（Science/AAAS Multimedia News截圖）

第二個難關(guān)出在復(fù)制鰭片上精微的錐狀小刺結(jié)構(gòu)。通過形態(tài)學測量，課題組發(fā)現(xiàn)，在每個䲟魚的吸盤上約有2000個這樣的小刺。這種結(jié)構(gòu)究竟有什么作用？通過不間斷的觀察探究，他們終于發(fā)現(xiàn)了其中的奧妙。

原來，䲟魚吸盤上的這種小刺能夠自由調(diào)控吸附力的大小。一般情況下，當吸盤吸附在物體表面時，會產(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，吸附力小，脫落也相對容易。而當小刺與吸附表面接觸時，就會同時產(chǎn)生較大的切向摩擦力，從而牢牢吸在物體表面。對于這種調(diào)控機制，文力表示：“肌肉的運動需要消耗能量，當驅(qū)動小刺的肌肉放松時，能量消耗會顯著減少，這是生物體具備的一種智能調(diào)控特性�！�

那么，問題來了，哪種材料既輕、強度又高，還能牢固嵌入鰭片中？經(jīng)過反復(fù)研究比較，文力選擇了碳纖維。但是，要將這種材料加工成微小的結(jié)構(gòu)并不容易，。于是，課題組和哈佛大學Robert Wood實驗室一起攻關(guān)，借助該實驗室的高精度激光加工3D打印技術(shù)，在幾個月里不斷修改設(shè)計方案，終于加工出了尺度、形狀都和真實䲟魚結(jié)構(gòu)高度近似的硬質(zhì)小刺，然后將它們嵌入到了復(fù)合材料的樣機鰭片中。

▲仿生機器人吸盤上的小刺結(jié)構(gòu)（文力供圖）

樣機做好了，萬事俱備只欠東風，最后一個難題就是，怎么讓機器人動起來？傳統(tǒng)的電機重量/輸出力比例遠遠低于生物，且不適合驅(qū)動這樣微小的鰭片結(jié)構(gòu)運動。為此，課題組制作了輕量化、防水的纖維增強軟體直線驅(qū)動器，實現(xiàn)了䲟魚吸盤內(nèi)部鰭片的微動，幅度約為150微米。

“通過這三項關(guān)鍵技術(shù)，我們成功實現(xiàn)了機器人樣機能夠像真正的䲟魚一樣牢牢吸附在物體表面，并且通過內(nèi)部鰭片的主動抬起運動顯著增大摩擦力。”文力無不感慨地說，“在此之前，整整四年，䲟魚項目上我們未發(fā)表一篇學術(shù)論文”。


仿生應(yīng)用前景可觀

䲟魚吸盤的仿生學應(yīng)用前景主要體現(xiàn)在兩方面：其一是能通過吸附有效節(jié)省在水下的動力；其二是能自動調(diào)節(jié)吸附力的大小。

文力介紹，因其超強的吸附力，早年間漁民在䲟魚尾部牽一根線，用來釣海龜�，F(xiàn)在，課題組做出的仿生䲟魚軟體吸盤機器人樣機，能在光滑表面產(chǎn)生相當于自重約340倍、粗糙表面上自重約100倍的吸附力。同時，課題組首次揭示了吸盤內(nèi)部鰭片的主動抬起運動可顯著增大吸盤與吸附表面的摩擦力，鰭片上硬質(zhì)小刺和軟組織的協(xié)同作用使吸盤能夠適應(yīng)不同粗糙度的表面等機理。

“通過將仿生樣機集成到水下機器人上，實現(xiàn)類似䲟魚的游動-吸附-脫離。這項研究工作不但從生物力學角度揭示䲟魚的吸附機制，同時為未來的低功耗水下仿生軟體機器人、水下吸附裝置提供了新的思路�！蔽牧φf，基于生物體機制，這種機器人雖然吸附力可觀，卻不會對吸附表面造成破壞。該項應(yīng)用在軍民領(lǐng)域都有良好的應(yīng)用前景，如國防科技，水下救援、海洋生態(tài)檢測等方面，可發(fā)揮重要作用。

▲文力和仿生䲟魚軟體吸盤機器人

事實上，這已不是文力領(lǐng)銜的課題組第一次做出優(yōu)秀的仿生機器人。今年3月，北航ITR軟體機器人實驗室與國際著名機器人與自動化公司FESTO合作研制的“軟體章魚觸手機器人”發(fā)布，并在漢諾威工業(yè)展上獲得了德國總理默克爾的青睞。項目負責人也是文力。這種機器人能為不同形狀、大小的物體完成安全無損和有力的抓取，突破了剛性機器人的部分先天缺陷。值得一提的是，軟體章魚觸手的部分關(guān)鍵技術(shù)，同樣對䲟魚仿生軟體機器人的加工起到重要作用。

一項學術(shù)成果的取得，離不開團隊的共同努力，文力說，自己的研究生、北航機械學院2015級碩士王越平，博士后楊興幫、哈佛大學Yufeng Chen博士，是這篇論文的共同第一作者。北航材料學院管娟副教授，化學學院劉歡教授為研究提供了材料動態(tài)性能測量、表面微觀結(jié)構(gòu)等方面的數(shù)據(jù)；哈佛大學Lauder實驗室的Dylan Wainwright與Chris Kanaley提供了䲟魚吸盤的斷層掃描數(shù)據(jù)；哈佛大學Robert Wood實驗室則制作了微激光加工碳纖維小刺；北航機械學院王田苗教授參與項目論證并提供寶貴建議。

“得益于北航提供的優(yōu)質(zhì)科研環(huán)境和平臺，我們能夠不斷取得突破，這次成果登上《科學》系列雜志封面，也是對我們目前工作的一個階段性的認可�！蔽牧φf，自己的課題組會再接再厲，未來依然任重道遠，同時也相信北航會產(chǎn)生更多重量級的科研成果。

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來源：北京航空航天大學新聞網(wǎng)