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機器人
北航團隊四年研究成果登上《科學·機器人》長文封麵，仿生學科研又上一層樓
雷鋒網AI科技評論按：本文原載於北京航空航天大學新聞網，記者史越。雷鋒網AI科技評論做了不改動原意的編輯。
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的發明。人們模仿生物的特殊本領，利用生物結構和功能原理，研製機械或各種新技術，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）雜誌機器人子刊《科學·機器人學》（Science Robotics）以長篇封麵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》上發表的首篇論文。雜誌官方通過圖文、多媒體兩種形式詳細撰文介紹了該項研究。
《Science Robotics》論文封麵及截圖
從一張圖片得到靈感，前後耗時四年，攻克三大難關……文力把一台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
人們常常感歎於造物主的神奇。在浩瀚的海洋裏，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遊和索食，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（圖片來自網絡）
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奇特的小魚吸引住了。
“這種‘搭便車’行為最大的優點，就是能有效減少運動消耗的能量。”文力回憶，一直從事仿生軟體機器人研究的他當即對此產生了興趣，並隱約感到其中存在巨大的應用空間。他當即在穀歌上搜索了關於䲟魚的吸附機理和仿生應用研究，發現“基本是一片空白”，這一年是2013年。
早在古希臘時期，先哲亞裏士多德就在著作中記載了壁虎的爬行現象。現在，科學家們已經發現壁虎腳對垂直表麵的超強粘附力來自於分子間的範德華力，並產生了諸多仿生學應用，研究相對透徹。但是，範德華力在水下的作用有限，水生生物如何實現超強吸附？“水下壁虎”䲟魚的吸盤是如何發揮作用、又能怎樣應用於人類生產生活？文力下定決心一探究竟。
於是，文力的團隊從中國福建以及南海區域購買了多批䲟魚，小心地空運回北京。在實驗室，他們人工創設出海水環境，架設起一係列觀察研究設備。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構。於是，團隊決定投入製作仿生機器人，真正的挑戰開始了。
逐步攻克“三大難關”
談起仿生機器人的研製過程，當時無數個不眠夜，今天談來已是雲淡風輕。文力說，團隊先後遭遇了“三大難關”，這也是如今樣機成品上的三個核心技術。
䲟魚頭部吸盤的結構十分精妙複雜，被生物學家稱作“脊椎動物解剖學上最奇妙的結構之一”。課題組遭遇的第一個難關就出現在吸盤的製作上。
此前，利用環掃電鏡、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構、運動模式。他們發現，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，主要產生負壓；吸盤內部的硬質鰭片結構，外表包裹厚度約500微米的軟組織，可由肌肉驅動產生法向微動；鰭片上的錐狀小刺結構，底部直徑約200微米，頂端為1-5微米。
有了這些數據，如何製作吸盤模型？文力第一時間想到了利用3D打印技術，但吸盤結構精妙，硬軟兼備，常規的單一材料3D打印無法實現。
“如果隻是簡單地把硬質軟質結構拚接起來，應力強度一大就會迅速疲勞並破碎。”文力說，課題組借鑒參考了多種脊椎動物的機體連結結構，前後耗時約一年，終於突破技術難關，利用複合多材料3D打印實現一體化樣機成形。吸盤樣機材料的剛度逐級梯度地跨越了3個數量級（相當於從人體的皮膚到骨骼硬度變化），這項技術還申請了國家發明專利。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）
第二個難關出在複製鰭片上精微的錐狀小刺結構。通過形態學測量，課題組發現，在每個䲟魚的吸盤上約有2000個這樣的小刺。這種結構究竟有什麼作用？通過不間斷的觀察探究，他們終於發現了其中的奧妙。
原來，䲟魚吸盤上的這種小刺能夠自由調控吸附力的大小。一般情況下，當吸盤吸附在物體表麵時，會產生較大的法向力，但是切向力並不大。小刺處於放鬆狀態時，吸附力小，脫落也相對容易。而當小刺與吸附表麵接觸時，就會同時產生較大的切向摩擦力，從而牢牢吸在物體表麵。對於這種調控機製，文力表示：“肌肉的運動需要消耗能量，當驅動小刺的肌肉放鬆時，能量消耗會顯著減少，這是生物體具備的一種智能調控特性。”
那麼，問題來了，哪種材料既輕、強度又高，還能牢固嵌入鰭片中？經過反複研究比較，文力選擇了碳纖維材料。但是要加工出如此微小的纖維結構並不容易，課題組和哈佛大學Robert Wood實驗室一起攻關，借助該實驗室的高精度激光加工技術，在幾個月裏不斷修改設計方案，終於加工出了尺度、形狀都和真實䲟魚結構高度近似的硬質小刺，並嵌入到複合材料的樣機鰭片中。
仿生機器人吸盤上的小刺結構（文力供圖）
樣機做好了，萬事俱備隻欠東風，最後一個難題就是，怎麼讓機器人動起來？傳統的電機重量/輸出力比例遠遠低於生物，且不適合驅動這樣微小的鰭片結構運動。為此，課題組製作了輕量化、防水的纖維增強軟體直線驅動器，實現了䲟魚吸盤內部鰭片的微動，幅度約為150微米。
“通過這三項關鍵技術，我們成功實現了機器人樣機能夠像真正的䲟魚一樣牢牢吸附在物體表麵，並且通過內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表一篇學術論文”。
仿生應用前景可觀
䲟魚吸盤之所以有很好的仿生學應用前景，主要體現在兩方麵：其一是通過吸附節省在水下的動力；其二是自動調節吸附力的大小。
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。現在，課題組做出的仿生䲟魚軟體吸盤機器人樣機，能在光滑表麵產生相當於自重約340倍、粗糙表麵上自重約100倍的吸附力。同時，課題組首次揭示了吸盤內部鰭片的主動抬起運動可顯著增大吸盤與吸附表麵的摩擦力，鰭片上硬質小刺和軟組織的協同作用使吸盤能夠適應不同粗糙度的表麵等機理。
“通過將仿生樣機集成到水下機器人上，實現類似䲟魚的遊動-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製，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。”文力說，基於生物體機製，這種機器人雖然吸附力可觀，卻不會對吸附表麵造成破壞。該項應用在軍民領域都有良好的應用前景，如國防科技，水下救援、海洋生態檢測等方麵，可發揮重要作用。
文力和仿生䲟魚軟體吸盤機器人
事實上，這已不是文力領銜的課題組第一次做出優秀的仿生機器人。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合作研製的“軟體章魚觸手機器人”發布，並在漢諾威工業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鍵技術，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，博士後楊興幫、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性能測量、表麵微觀結構等方麵的數據；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據；哈佛大學Robert Wood實驗室則製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並提供寶貴建議。
“得益於北航提供的優質科研環境和平台，我們能夠不斷取得突破，這次成果登上《科學》係列雜誌封麵，也是對我們目前工作的一個階段性的認可。”文力說，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生更多重量級的科研成果。
最後更新：2017-10-08 05:36:55