供稿人:尚振濤 田小永 發(fā)布日期：2017-12-13
從古至今人類就一直在向大自然學(xué)習(xí)，可以說“仿生”推動(dòng)人類的不斷進(jìn)步。仿生學(xué)就是人們研究生物體的結(jié)構(gòu)與功能工作的原理，并根據(jù)這些原理發(fā)明出新的設(shè)備、工具和科技，創(chuàng)造出適用于生產(chǎn)，學(xué)習(xí)和生活的先進(jìn)技術(shù)。
近期，《科學(xué)·機(jī)器人學(xué)》（Science Robotics）雜志報(bào)道刊登北京航空航天大學(xué)文力副教授課題組牽頭、與哈佛大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)合作的最新研究成果——仿生?魚軟體吸盤機(jī)器人。
浩瀚的海洋里有一種身體細(xì)長的?魚，漫長的進(jìn)化使它的第一背鰭變成吸盤，可以吸附在船底和鯊魚、鰩魚、鯨魚等其他形體較大的魚身上遠(yuǎn)游和索食，被形象地稱為“搭順風(fēng)車”。圖1清楚地展現(xiàn)了魚吸盤的組成和微觀結(jié)構(gòu)，利用環(huán)掃電鏡、Micro CT、高速相機(jī)同步運(yùn)動(dòng)追蹤等生物測量手段，獲得了?魚吸盤的宏觀與微尺度結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)模式。?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，能產(chǎn)生負(fù)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(dòng)產(chǎn)生法向微動(dòng)；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。
圖1 魚頭部吸盤的生物結(jié)構(gòu)。(A)魚頭部實(shí)體結(jié)構(gòu)，(B)基于microCT掃描數(shù)據(jù)的魚吸盤三維重建模型
該團(tuán)隊(duì)先后共克了三大難關(guān)，第一個(gè)難關(guān)是吸盤的制作。吸盤結(jié)構(gòu)精妙，材質(zhì)硬軟兼具，該團(tuán)隊(duì)想到了3D打印技術(shù)，但常規(guī)的單一材料3D打印無法制造出吸盤變剛度的結(jié)構(gòu)，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(qiáng)度一大就會(huì)迅速疲勞并破碎。
課題組借鑒參考了多種脊椎動(dòng)物的機(jī)體連結(jié)結(jié)構(gòu)，利用復(fù)合多材料3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)一體化樣機(jī)成形，制造出包括唇圈、軟組織等在內(nèi)的吸盤樣機(jī)整體結(jié)構(gòu),其楊氏模量逐級(jí)梯度地跨越了3個(gè)數(shù)量級(jí)。
第二個(gè)難關(guān)如圖2是復(fù)制鰭片上精微的錐狀小刺結(jié)構(gòu)。該團(tuán)隊(duì)與哈佛大學(xué)合作，利用高精度激光加工技術(shù)制作了碳纖維硬質(zhì)小刺（底部直徑270微米）嵌入到復(fù)合材料的樣機(jī)鰭片中，如圖3。
圖2 鰭片上單根硬質(zhì)小刺的顯微結(jié)構(gòu)
第三個(gè)難題是機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。該團(tuán)隊(duì)用輕量化、防水的軟體纖維增強(qiáng)的直線驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了?魚吸盤內(nèi)部鰭片的微動(dòng)，如圖3。
圖3 (C)仿生魚洗盤CAD模型，(D)仿生魚吸盤原型實(shí)物
課題組做出的仿生?魚軟體吸盤機(jī)器人樣機(jī)，能在光滑表面產(chǎn)生相當(dāng)于自重約340倍、粗糙表面上自重約100倍的吸附力。首次揭示了吸盤內(nèi)部鰭片的主動(dòng)抬起運(yùn)動(dòng)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(jī)理。為未來的低功耗水下仿生軟體機(jī)器人、水下吸附裝置提供了新的思路?；谏矬w機(jī)制，這種機(jī)器人吸附力可觀，也不會(huì)對吸附表面造成破壞。該項(xiàng)應(yīng)用在國防科技，水下救援、海洋生態(tài)檢測等軍民領(lǐng)域都有良好的應(yīng)用前景。