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可“搭便车”的仿生机器人诞生 将用于海洋生物探测

时间:2017-10-01来源:互联网 点击: 百度搜索

【导读】近几年来,海底AI革命的火热爆发促使国内外出现各式各样的水下仿生机器人,它们在海洋世界里各显神通。著名纪录片《动物世界》曾拍摄到一种海洋生物被称为吸盘鱼的鱼,它凭借嘴部的吸......
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  近几年来,海底AI革命的火热爆发促使国内外出现各式各样的水下仿生机器人,它们在海洋世界里各显神通。著名纪录片《动物世界》曾拍摄到一种海洋生物——被称为“吸盘鱼”的鱼,它凭借嘴部的吸盘可吸附在鲸类、鲨鱼和海龟的腹部,即使宿主快速游动,还是能牢牢地附着而不脱落。

  可“搭便车”的仿生机器人诞生 将用于海洋生物探测

吸盘机器人

  然而,在观看纪录片之际,我们并没有想到它居然会成为今天吸盘鱼仿生机器人的模板。近日,由北京航空航天大学、哈佛大学和波士顿大学联合启动了一项科研项目,利用3D打印技术制作吸盘鱼仿生机器人,来帮助对海洋生物的研究。最近一期的《科学·机器人学》(Science Robotics)杂志封面刊登报道了相关研究成果。

  目前,水下机器人的研发存在一个难题——它很难在水里实现自主抓取的任务。而以吸盘鱼为模板的水下仿生机器人,它为解决这个难题打开了新的思路,因为它通过顺势吸附的行动去完成抓取。

  吸盘鱼仿生机器人的构造

  这款水下机器人具备吸盘鱼与吸盘两部分,研究团队利用3D打印和激光切割技术设计出这款仿生机器人。其中,最精巧复杂的部分就是鱼头部位的吸盘。鱼头部吸盘由三部分组成:

  吸盘外周的唇圈,由柔性的肌原纤维组成,主要产生负压;

  吸盘内部的硬质鳍片结构,外表包裹厚度约500微米的软组织,可由肌肉驱动产生法向微动;

  鳍片上的锥状小刺结构,底部直径约200微米,顶端为1-5微米。其内部有2000个微型的小刺,按照附着面凹进或凸起从而令吸盘能吸附在各种海洋生物的体表。

  课题组和哈佛大学Robert Wood实验室一起攻关,借助高精度激光加工技术,加工出了尺度、形状都和真实吸盘鱼结构高度近似的硬质小刺,并嵌入到复合材料的样机鳍片中。

  除此之外,为了让吸盘鱼仿生机器人在水里动起来,课题组还制作了轻量化、防水的纤维增强软体直线驱动器,实现了吸盘鱼吸盘内部鳍片的微动,其幅度约为150微米。

  课题组做出的仿生吸盘鱼软体吸盘机器人样机,能在光滑表面产生相当于自重约340倍、粗糙表面上自重约100倍的吸附力。

  在鮣鱼仿生机器人研发成功之前,文力教授曾经带领团队研发“软体章鱼触手机器人”。今年3月,北航ITR软体机器人实验室与国际著名机器人与自动化公司FESTO合作研制的“软体章鱼触手机器人”发布,并在汉诺威工业展上获得了德国总理默克尔的青睐。这种机器人能为不同形状、大小的物体完成安全无损和有力的抓取,突破了刚性机器人的部分先天缺陷。

  水下仿生机器人应用前景广阔

  主导研发这项仿生机器人的文力教授表示,“这种‘搭便车’行为最大的优点,就是能有效减少运动消耗的能量。”

  “通过将仿生样机集成到水下机器人上,实现类似 鱼的游动-吸附-脱离。这项研究工作不但从生物力学角度揭示 鱼的吸附机制,同时为未来的低功耗水下仿生软体机器人、水下吸附装置提供了新的思路。”文力教授说道,基于生物体机制,这种机器人虽然吸附力可观,却不会对吸附表面造成破坏。此项应用在军民领域都有良好的应用前景,如国防科技、水下救援、海洋生态检测等方面,可发挥重要作用。

  水下仿生机器人,仿佛是人类探索未知海洋领域的另一双手臂。由于水下机器人的工作区是在水域内,所以市面上的产品也基本都是采用仿生技术设计。水下机器人由于具有高效的推进性能、良好的隐身性能以及操纵性能,有着广阔的应用前景。

  民用方面,它能够应用于海洋环境研究、海洋资源探测及开发、海洋援潜救生等,也可以作为电子宠物或智能玩具进入人们家庭。

  军用方面,可用于战时侦察、收集情报、潜艇战与反潜战,同时也可以作为高性能的智能化武器或武器平台,直接用于袭击和破坏敌军的港口、水下侦察系统、舰船、破坏敌方海上运输线等。

  除此之外,水下仿生机器人作为一种新兴的水下运载器,为机械、电子、材料、能源等硬件的研制以及单机器鱼控制算法、多机器鱼协调控制等软件的开发提供了全新的平台。

  编辑点评:从模仿鸟的飞行而发明飞机,到羡慕蝙蝠的能力而发明雷达,站在动物世界最高层的人类似乎从未停止模仿动物的行为和能力。而这些技术就称为仿生技术——近年来发展起来的工程技术与生物科学相结合的交叉学科。吸盘鱼的吸附机制同样可以应用于军民两用的方方面面,为科学技术的发展创造价值。

(责任编辑:Labtoday)
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