這里有條會(huì)飛的“吸盤魚”
文力最初想到“吸盤魚”這個(gè)創(chuàng)意,大概是在10年前。
那時(shí)他還在國(guó)外讀書,在研究仿生鯊魚皮項(xiàng)目時(shí),他發(fā)現(xiàn),盡管鯊魚皮的表面非常粗糙,但總有一種吸盤魚寄生在上面,能夠跟隨鯊魚的游動(dòng)而游動(dòng)。
這讓他覺得“很好奇”。
文力沒有讓這種一閃而過的念頭,停留在只是好奇的程度,而是深入思考、繼續(xù)挖掘。他大量查詢相關(guān)資料,在有限的檔案里尋找這種魚的記載,又前往博物館,觀察儲(chǔ)存的樣本,得知了這種魚的名字——魚。
這是一種很特別的魚,頭部生長(zhǎng)著一種吸盤結(jié)構(gòu),能夠緊緊地吸附在鯊魚等魚類身上,還有個(gè)有趣的別名,叫“鯊魚吸附者”。
從魚的吸盤上,文力看到了研究的前景。如果機(jī)器人能夠模仿這種魚的吸附能力,那么,小型機(jī)器人在作業(yè)時(shí)消耗的能量,將會(huì)極大減少。
經(jīng)過幾年的研究,北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院仿生機(jī)器人研究團(tuán)隊(duì)文力課題組,真的打造出了這種“吸盤魚”機(jī)器人。2022年5月19日,國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)·機(jī)器人》發(fā)布了這一研究成果。北航機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院2018級(jí)博士研究生李磊為第一作者,王思奇、張以遠(yuǎn)、宋善源為共同第一作者,文力教授為論文唯一通訊作者。
該團(tuán)隊(duì)研制的“吸盤魚”仿生機(jī)器人,不但能在水下吸附,還能飛到空中,進(jìn)行跨介質(zhì)的吸附。
在研究的最初階段,讓課題組感到為難的第一件事,是上哪兒去弄魚樣本。沒有魚,研究團(tuán)隊(duì)就很難搞清楚它的結(jié)構(gòu)究竟是什么。
“上哪能夠捕捉一條活的,對(duì)吧?”文力開玩笑地說。
他告訴中青報(bào)·中青網(wǎng)記者,這個(gè)項(xiàng)目的研究,對(duì)他來說就是一個(gè)從無到有的過程,“前人沒做過”,一切都得從0開始摸索。他拿到的第一條活的魚,是請(qǐng)海邊的漁民幫忙捕撈的。課題組還咨詢了很多潛水愛好者,通過各種方式去收集這種魚。
后來他的研究漸漸有了規(guī)模,能夠在實(shí)驗(yàn)室里專門養(yǎng)這種魚,觀測(cè)它的運(yùn)動(dòng)模式,研究它的骨骼結(jié)構(gòu),弄明白它的軟組織是怎么形成的,結(jié)構(gòu)大概是什么尺度,等等。
這是一個(gè)“比較漫長(zhǎng)的過程”。用文力的話說,團(tuán)隊(duì)最大的障礙其實(shí)是,他們的研究對(duì)象是機(jī)器人而不是生物,因此在理解魚的生理結(jié)構(gòu)方面,花了很長(zhǎng)一段時(shí)間。
下一步就是如何仿生,如何精確地將這種結(jié)構(gòu)研制出來。
文力提到,團(tuán)隊(duì)用的方法是3D打印、微激光雕刻等技術(shù),以及設(shè)置軟件驅(qū)動(dòng)。這一步,就是這個(gè)機(jī)器人團(tuán)隊(duì)最擅長(zhǎng)的事了。
吸盤魚機(jī)器人就此問世,它可以像魚一樣,吸附在多種物體表面上,吸附力也非常大。
早在2017年,文力課題組就已經(jīng)在《科學(xué)·機(jī)器人》上發(fā)表封面文章講述這一研究過程。那時(shí),機(jī)器人只能游動(dòng)吸附,是一個(gè)階段性的成果,還存在兩大問題。第一個(gè)問題是機(jī)器人有線纜,行動(dòng)范圍會(huì)被限制,電源之類的東西都在水面上。第二個(gè)就是吸盤,那時(shí)的吸盤是利用多種材料3D打印出來的,因此有點(diǎn)硬,很難吸附在粗糙或者有曲率的表面上,也很難吸附在不完整的、破損的表面上。
為了解決這些問題,文力課題組一方面繼續(xù)學(xué)習(xí)生物,研究魚的吸盤結(jié)構(gòu)到底是怎么回事,另一方面也在進(jìn)一步考慮機(jī)器人如何才能擺脫線纜的控制。
文力甚至覺得,這樣的機(jī)器人只在水下活動(dòng)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,他希望這個(gè)機(jī)器人,可以在空氣中完成同樣的功能,“最好還能夠快速‘跨界’”。
又經(jīng)過數(shù)年的努力,他們?cè)俅巫龅搅恕?/p>
“魚只能做到水下的吸附,我們的研究相當(dāng)于拓展了仿生的能力,超越了自然,研制出在不同的介質(zhì)中也能實(shí)現(xiàn)吸附作用的機(jī)器人?!蔽牧?duì)中青報(bào)·中青網(wǎng)記者說。
在2022年發(fā)表的《科學(xué)·機(jī)器人》論文中,他們所描述的新的“吸盤魚”機(jī)器人,不但能夠快速跨越介質(zhì),還可以在接觸可吸附表面一半時(shí),就能夠吸得很牢。文力向記者舉了個(gè)例子,如果吸附表面的中間部分破損,有多個(gè)洞,這款仿生機(jī)器人依然能牢牢吸附在上面。此外,濕滑、黏稠的表面,機(jī)器人也能夠吸附。
據(jù)他介紹,這種仿生機(jī)器人,可以在“多地形觀測(cè)、多介質(zhì)作業(yè)、多環(huán)境探查”等工作中廣泛應(yīng)用,比如野外監(jiān)測(cè)、海洋生物調(diào)查等等。
在這些年的研發(fā)過程中,文力發(fā)現(xiàn),自己團(tuán)隊(duì)中越年輕的學(xué)生,越會(huì)提一些比較天馬行空的想法。他認(rèn)為,可能是因?yàn)閷W(xué)生們?cè)谒季S上沒有太多牽絆,很多時(shí)候可以“不按套路出牌”。其中有一些,他覺得可以執(zhí)行,但也有一些可行性不強(qiáng),或者說從科學(xué)原理上還沒有完全驗(yàn)證過的。
“但是我非常鼓勵(lì)學(xué)生們?nèi)ヌ幔ㄗ约旱南敕ǎ炔徽f話要強(qiáng)?!蔽牧φf。
這個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)足夠科幻,如果繼續(xù)往前走的話,他們還有很多設(shè)想,有些甚至顯得有些“瘋狂”。
“目前的機(jī)器人潛水深度還較淺,空中飛得也不是很高,我們希望機(jī)器人能夠擁有更極端的跨界能力,例如:從地球最深處,跨越到太空,在空間環(huán)境下作業(yè)!”他說。
文力承認(rèn)這“非常有挑戰(zhàn)性”,但也“非常有意思”。
中青報(bào)·中青網(wǎng)記者 張渺 來源:中國(guó)青年報(bào)
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