近幾年來(lái)，海底AI革命的火熱爆發(fā)促使國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)各式各樣的水下仿生機(jī)器人，它們?cè)诤Ｑ笫澜缋锔黠@神通。著名紀(jì)錄片《動(dòng)物世界》曾拍攝到一種海洋生物——被稱(chēng)為“吸盤(pán)魚(yú)”的？魚(yú)，它憑借嘴部的吸盤(pán)可吸附在鯨類(lèi)、鯊魚(yú)和海龜?shù)母共?，即使宿主快速游?dòng)，?魚(yú)還是能牢牢地附著而不脫落。
然而，在觀看紀(jì)錄片之際，我們并沒(méi)有想到它居然會(huì)成為今天?魚(yú)仿生機(jī)器人的模板。近日，由北京航空航天大學(xué)、哈佛大學(xué)和波士頓大學(xué)聯(lián)合啟動(dòng)了一項(xiàng)科研項(xiàng)目，利用3D打印技術(shù)制作?魚(yú)仿生機(jī)器人，來(lái)幫助對(duì)海洋生物的研究。最近一期的《科學(xué)·機(jī)器人學(xué)》（Science Robotics）雜志封面刊登報(bào)道了相關(guān)研究成果。
目前，水下機(jī)器人的研發(fā)存在一個(gè)難題——它很難在水里實(shí)現(xiàn)自主抓取的任務(wù)。而以?魚(yú)為模板的水下仿生機(jī)器人，它為解決這個(gè)難題打開(kāi)了新的思路，因?yàn)樗ㄟ^(guò)順勢(shì)吸附 的行動(dòng)去完成抓取。
?魚(yú)仿生機(jī)器人的構(gòu)造
這款水下機(jī)器人具備?魚(yú)與吸盤(pán)兩部分，研究團(tuán)隊(duì)利用3D打印和激光切割技術(shù)設(shè)計(jì)出這款仿生機(jī)器人。其中，最精巧復(fù)雜的部分就是魚(yú)頭部位的吸盤(pán)。魚(yú)頭部吸盤(pán)由三部分組成：吸盤(pán)外周的唇圈，由柔性的肌原纖維 組成，主要產(chǎn)生負(fù)壓；吸盤(pán)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。其內(nèi)部有2000個(gè)微型的小刺，按照附著面凹進(jìn)或凸起從而令吸盤(pán)能吸附在各種海洋生物的體表。
課題組和哈佛大學(xué)Robert Wood實(shí)驗(yàn)室一起攻關(guān)，借助高精度激光加工技術(shù)，加工出了尺度、形狀都和真實(shí)?魚(yú)結(jié)構(gòu)高度近似的硬質(zhì)小刺，并嵌入到復(fù)合材料的樣機(jī)鰭片中。
除此之外，為了讓?魚(yú)仿生機(jī)器人在水里動(dòng)起來(lái)，課題組還制作了輕量化、防水的纖維增強(qiáng)軟體直線驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)了?魚(yú)吸盤(pán)內(nèi)部鰭片的微動(dòng)，其幅度約為150微米。
課題組做出的仿生?魚(yú)軟體吸盤(pán)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。
在鮣魚(yú)仿生機(jī)器人研發(fā)成功之前，文力教授曾經(jīng)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)“軟體章魚(yú)觸手機(jī)器人”。今年3月，北航ITR軟體機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室與國(guó)際著名機(jī)器人與自動(dòng)化公司FESTO合作研制的“軟體章魚(yú)觸手機(jī)器人”發(fā)布，并在漢諾威工業(yè)展上獲得了德國(guó)總理默克爾的青睞。這種機(jī)器人能為不同形狀、大小的物體完成安全無(wú)損和有力的抓取，突破了剛性機(jī)器人的部分先天缺陷。
水下仿生機(jī)器人應(yīng)用前景廣闊
主導(dǎo)研發(fā)這項(xiàng)仿生機(jī)器人的文力教授表示，“這種‘搭便車(chē)’行為最大的優(yōu)點(diǎn)，就是能有效減少運(yùn)動(dòng)消耗的能量。”
“通過(guò)將仿生樣機(jī)集成到水下機(jī)器人上，實(shí)現(xiàn)類(lèi)似 魚(yú)的游動(dòng)-吸附-脫離。這項(xiàng)研究工作不但從生物力學(xué)角度揭示 魚(yú)的吸附機(jī)制，同時(shí)為未來(lái)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。”文力教授說(shuō)道，基于生物體機(jī)制，這種機(jī)器人雖然吸附力可觀，卻不會(huì)對(duì)吸附表面造成破壞。此項(xiàng)應(yīng)用在軍民領(lǐng)域都有良好的應(yīng)用前景，如國(guó)防科技、水下救援、海洋生態(tài)檢測(cè) 等方面，可發(fā)揮重要作用。
水下仿生機(jī)器人，仿佛是人類(lèi)探索未知海洋領(lǐng)域的另一雙手臂。由于水下機(jī)器人的工作區(qū)是在水域內(nèi)，所以市面上的產(chǎn)品也基本都是采用仿生技術(shù)設(shè)計(jì)。水下機(jī)器人由于具有高效的推進(jìn)性能、良好的隱身性能以及操縱性能，有著廣闊的應(yīng)用前景。
民用 方面，它能夠應(yīng)用于海洋環(huán)境研究、海洋資源探測(cè)及開(kāi)發(fā)、海洋援潛救生等，也可以作為電子寵物或智能玩具進(jìn)入人們家庭。
軍用 方面，可用于戰(zhàn)時(shí)偵察、收集情報(bào)、潛艇戰(zhàn)與反潛戰(zhàn)，同時(shí)也可以作為高性能的智能化武器或武器平臺(tái)，直接用于襲擊和破壞敵軍的港口、水下偵察系統(tǒng)、艦船、破壞敵方海上運(yùn)輸線等。
除此之外，水下仿生機(jī)器人作為一種新興的水下運(yùn)載器，為機(jī)械、電子、材料、能源等硬件的研制以及單機(jī)器魚(yú)控制算法、多機(jī)器魚(yú)協(xié)調(diào)控制等軟件的開(kāi)發(fā)提供了全新的平臺(tái)。
