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　　仿生機(jī)器人科學(xué)研究漸漸B4P50PA

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　　先進(jìn)制造 ◇ 系列技術(shù)講座

　　1月11日13:30-17:00 2023 Ansys中國(guó)機(jī)器人行業(yè)典型研討會(huì)

　　美洲獅是陸地上跑得最快的鳥(niǎo)類(lèi)，蟒蛇能上天入地彎彎曲曲，即使是貌似的跳蚤也能達(dá)到200英哩的時(shí)速——鳥(niǎo)類(lèi)世界里的種種奇跡不僅令微生物愛(ài)好者們熱血沸騰，還為仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供更多了可貴的靈感。多年來(lái)，麻省理工學(xué)院(MIT)的教授兼機(jī)器人設(shè)計(jì)師安德魯(Sangbae Kim)一直致力將鳥(niǎo)類(lèi)的病理機(jī)制嫁接到機(jī)器人頭上，并獲得了一連串令人矚目的成果。日前安德魯推出了自己的最新設(shè)計(jì)——一只以美洲獅為原型的仿生機(jī)器人，其速度僅約每小時(shí)35英哩。

安德魯指出，輪式機(jī)器人在平地上的作業(yè)效率尚可，不過(guò)行動(dòng)速度過(guò)慢卻是其致命弱點(diǎn)。比如iRobot公司生產(chǎn)的美國(guó)軍用機(jī)器人PackBot時(shí)速僅為5.8英哩。而美洲獅異常靈巧的脊椎可在奔跑中提供更多額外的加速度或助推力。根據(jù)他的計(jì)劃，科學(xué)研究小組將使用碳-纖維-泡沫合成金屬材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)兩個(gè)輕量的機(jī)器人原型，其速度可與美洲獅媲美。

多年來(lái)，安德魯一直致力衍生自微生物學(xué)模型的機(jī)械設(shè)計(jì)。他認(rèn)為，鳥(niǎo)類(lèi)王國(guó)為締造移動(dòng)機(jī)器人提供更多了最可貴的靈感。體育運(yùn)動(dòng)是鳥(niǎo)類(lèi)生活的核心部份，也是其最重要的機(jī)能之一。它們需要不斷地尋找食物、水源、住處或逃離天敵。通過(guò)對(duì)其病理機(jī)制的簡(jiǎn)化和改造，以安德魯領(lǐng)銜的科學(xué)研究小組締造了一連串頗具突破性的仿生機(jī)器人。其中包括不久前面世的蟒蛇機(jī)器人Stickybot。安德魯介紹說(shuō)，蟒蛇能在橫向的墻面上彎彎曲曲，其速度約為每秒1米。這種非凡的能力使其成為食腐機(jī)器人的完美榜樣。蟒蛇的身手之所以如此靈巧，其奧秘是一種名為“定向粘連”(directional adhesion)的機(jī)能，它能使蟒蛇在行進(jìn)過(guò)程中另一面牢牢吸附在墻面上，另一面迅速地將四肢與墻面分離。此外，蟒蛇的座套上覆蓋著一層絨毛，其直徑至多是人體細(xì)絲的千分之一。在分子間的相互作用力下，這層絨毛能牢牢地附著在物體表層，從而在橫向爬墻的過(guò)程中支撐蟒蛇的體重。

安德魯借鑒了蟒蛇的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為Stickybot打造出了一種擁有聚酯纖維毛發(fā)的座套。由于其厚度大于蟒蛇的腳掌，機(jī)器人的爬行能力也受到了一定的限制。現(xiàn)階段它只能爬墻非常平滑的表層，如玻璃或Chalancon。不過(guò)，以安德魯領(lǐng)銜的科學(xué)研究小組正致力完善相關(guān)技術(shù)，以期未來(lái)Stickybot能夠爬墻紋理不均勻的墻面。屆時(shí)食腐機(jī)器人的應(yīng)用范圍亦將得到極大的拓展，如水下石油管道的維修和高樓窗戶(hù)的清洗等。

除了蟒蛇之外， 蜘蛛也為安德魯?shù)氖掣瘷C(jī)器人設(shè)計(jì)提供更多了不少靈感，比如現(xiàn)階段正在接受試驗(yàn)的Spinybot——兩個(gè)六足機(jī)器人，它頭上的微型爪子或小刺反之亦然可對(duì)物體產(chǎn)生機(jī)械性能。和貓類(lèi)不同，Spinybot無(wú)需用小刺穿透物體表層，只需“摳”住那些輕微的凸起或凹陷即可行進(jìn)。它的每只腳上約有10個(gè)chorus，每個(gè)腳趾上都有兩根科紫麻，上面的機(jī)械裝置能獨(dú)立拉伸，以期分擔(dān)體重。此外，身后的尾巴也減少了前肢所需的力量?，F(xiàn)階段SpinyBot的研制已經(jīng)獲得了成功，科學(xué)研究小組的下兩個(gè)目標(biāo)是利用該技術(shù)打造出重型機(jī)器人。

跳蚤或許是世界上最貌似的微生物，不過(guò)它在安德魯?shù)目茖W(xué)研究中反之亦然扮演了重要的角色。跳蚤在1秒中逃竄的路程是其人體長(zhǎng)度的50倍，按照人類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)換算即為每小時(shí)200英哩。安德魯在實(shí)驗(yàn)中辨認(rèn)出，跳蚤腿的漠視頻率約為每秒鐘15次，它們主要是依靠自身的力學(xué)性能行進(jìn)，而不是對(duì)腳部體育運(yùn)動(dòng)的精確控制。正是基于這一辨認(rèn)出， 安德魯設(shè)計(jì)了自己的第一款仿生機(jī)器人——iSprawl，以期對(duì)體育運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)、腳部的設(shè)計(jì)和組織理念進(jìn)行試驗(yàn)。它是兩個(gè)手掌大小的六足機(jī)器人，擁有一塊電池、兩個(gè)電動(dòng)馬達(dá)、固定式式電纜傳輸控制系統(tǒng)和電力輸送控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)可將旋轉(zhuǎn)功力轉(zhuǎn)換為腳部的推力，其速度僅約每秒7.5英尺。隨著iSprawl的面世，安德魯?shù)摹奥邮健?sprawl)機(jī)器人家族也開(kāi)始在科學(xué)界嶄露頭角。

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