http://www.bfqmb.cn 2009-10-21 10:02 來(lái)源:第一財(cái)經(jīng)日?qǐng)?bào)
編者語(yǔ):美國(guó)科學(xué)家日前推出了一款以獵豹為原型的仿生機(jī)器人,其速度可達(dá)每小時(shí)35英里,此前美國(guó)軍用機(jī)器人的時(shí)速僅為5.8英里。
獵豹是陸地上跑得最快的動(dòng)物,壁虎可以飛檐走壁如履平地,即使是令人厭惡的蟑螂也可以達(dá)到200英里的時(shí)速——?jiǎng)游锸澜缋锏姆N種奇跡不僅令生物愛(ài)好者們?nèi)绨V如醉,還為仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了寶貴的靈感。多年來(lái),美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)的教授兼機(jī)器人設(shè)計(jì)師吉姆(Sangbae Kim)一直致力于將動(dòng)物的生理機(jī)制嫁接到機(jī)器人身上,并取得了一系列令人矚目的成果。日前吉姆推出了自己的最新設(shè)計(jì)——一只以獵豹為原型的仿生機(jī)器人,其速度可達(dá)每小時(shí)35英里。
吉姆指出,輪式機(jī)器人在平地上的作業(yè)效率尚可,然而行動(dòng)速度過(guò)慢卻是其致命弱點(diǎn)。例如iRobot公司生產(chǎn)的美國(guó)軍用機(jī)器人PackBot時(shí)速僅為5.8英里。而獵豹異常靈活的脊椎可在奔跑中提供額外的加速度或助推力。根據(jù)他的計(jì)劃,研究小組將使用碳-纖維-泡沫合成材料構(gòu)造一個(gè)輕量級(jí)的機(jī)器人原型,其速度可與獵豹媲美。
多年來(lái),吉姆一直致力于衍生自生物學(xué)模型的機(jī)械設(shè)計(jì)。他認(rèn)為,動(dòng)物王國(guó)為創(chuàng)造移動(dòng)機(jī)器人提供了最寶貴的靈感。運(yùn)動(dòng)是動(dòng)物生活的核心部分,也是其最重要的功能之一。它們需要不斷地尋找食物、水源、住處或逃離天敵。通過(guò)對(duì)其生理機(jī)制的簡(jiǎn)化和改造,以吉姆為首的研究小組創(chuàng)造了一系列頗具突破性的仿生機(jī)器人。其中包括不久前問(wèn)世的壁虎機(jī)器人Stickybot。吉姆介紹說(shuō),壁虎可以在垂直的墻壁上如履平地,其速度約為每秒1米。這種非凡的能力使其成為爬蟲(chóng)機(jī)器人的完美榜樣。壁虎的身手之所以如此靈活,其奧秘在于一種名為“定向粘連”(directional adhesion)的功能,它可以使壁虎在前進(jìn)過(guò)程中一面牢牢吸附在墻壁上,一面迅速地將四肢與墻面分離。此外,壁虎的腳墊上覆蓋著一層細(xì)毛,其直徑至多是人體頭發(fā)絲的千分之一。在分子間的相互作用力下,這層細(xì)毛可以牢牢地附著在物體表面,從而在垂直攀爬的過(guò)程中支撐壁虎的體重。
吉姆借鑒了壁虎的構(gòu)造,為Stickybot打造了一種擁有硅橡膠毛發(fā)的腳墊。由于其厚度大于壁虎的腳掌,機(jī)器人的爬行能力也受到了一定的限制。目前它只能攀爬非常平滑的表面,如玻璃或白板。不過(guò),以吉姆為首的研究小組正致力于完善相關(guān)技術(shù),以便未來(lái)Stickybot能夠攀爬紋理不均勻的墻壁。屆時(shí)爬蟲(chóng)機(jī)器人的應(yīng)用范圍亦將得到極大的拓展,如水下石油管道的維修和高樓窗戶的清洗等。
除了壁虎之外, 蜘蛛也為吉姆的爬蟲(chóng)機(jī)器人設(shè)計(jì)提供了不少靈感,例如目前正在接受測(cè)試的Spinybot——一個(gè)六足機(jī)器人,它身上的微型爪子或小刺同樣可對(duì)物體產(chǎn)生附著力。和貓類不同,Spinybot無(wú)需用小刺穿透物體表面,只需“摳”住那些輕微的凸起或凹陷即可前進(jìn)。它的每只腳上約有10個(gè)趾頭,每個(gè)腳趾上都有兩根毛刺,上面的機(jī)械裝置可以獨(dú)立拉伸,以便分擔(dān)體重。此外,身后的尾巴也減少了前肢所需的力量。目前SpinyBot的研制已經(jīng)取得了成功,研究小組的下一個(gè)目標(biāo)是利用該技術(shù)打造重型機(jī)器人。
蟑螂或許是世界上最令人厭惡的生物,然而它在吉姆的研究中同樣扮演了重要的角色。蟑螂在1秒中逃竄的路程是其身體長(zhǎng)度的50倍,按照人類的標(biāo)準(zhǔn)換算即為每小時(shí)200英里。吉姆在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),蟑螂腿的伸張頻率約為每秒鐘15次,它們主要是依靠自身的力學(xué)性能前進(jìn),而不是對(duì)腿部運(yùn)動(dòng)的精確控制。正是基于這一發(fā)現(xiàn), 吉姆設(shè)計(jì)了自己的第一款仿生機(jī)器人——iSprawl,以便對(duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)、腿部的設(shè)計(jì)和組織理念進(jìn)行測(cè)試。它是一個(gè)手掌大小的六足機(jī)器人,擁有一塊電池、一個(gè)電動(dòng)馬達(dá)、推拉式電纜傳輸系統(tǒng)和電力輸送系統(tǒng),該系統(tǒng)可將旋轉(zhuǎn)功力轉(zhuǎn)換為腿部的推力,其速度可達(dá)每秒7.5英尺。隨著iSprawl的問(wèn)世,吉姆的“蔓延式”(sprawl)機(jī)器人家族也開(kāi)始在科學(xué)界嶄露頭角。