仿生?鱼软体吸盘机器人
2018-03-26

                     

?鱼,俗名 吸盘鱼 ,作为海洋鱼类的一种,最大的特点就是其头部由背鳍进化而成的吸盘。在游动过程中,?鱼可以通过其头部的吸盘完成对鲨鱼、海豚、海龟、人造航行器表面等不同海洋生物表面和非生物表面的快速吸附。这种 搭顺风车 hitchhiking)的行为,有利于?鱼躲避天敌,并在捕食过程中减少能量的损耗。
研究团队通过环境扫描电镜、 microCT、高速相机同步运动追踪等生物测量手段,获得?鱼吸盘的宏观与微尺度结构与运动模式,发现?鱼头部吸盘主要由三个部分组成: 1.吸盘外周的唇圈,该部分主要由柔性的肌原纤维组成,主要产生负压。 2.吸盘内部的鳍片结构,该部分主要由硬质的结构组成,外表包裹一层厚度约为 500微米的软组织。吸盘内部存在 1528排不等鳍片,这些鳍片可由肌肉驱动产生在垂直方向的微动 (幅度约 100微米 )3.吸盘鳍片上的锥状小刺结构,每个锥状小刺底部直径为 200多微米,顶部为 15微米。
研究者们进一步利用复合多材料 3D打印技术实现一体化打印成形,吸盘样机材料刚度跨越三个数量级(杨氏模量 1兆帕至 3000兆帕),并与哈佛大学 Robert Wood实验室合作,利用高精度激光加工技术制作了碳纤维硬质小刺(底部直径 270微米)嵌入到复合材料的样机鳍片中。同时,课题组用轻量化、防水的软体纤维增强的直线驱动器驱动,实现?鱼吸盘内部鳍片的微动 (幅度范围 20200微米 )
1 ?鱼吸盘与仿生吸盘
随后,研究团队对完成的样机进行了最大吸附力和摩擦力实验。实验表明,仿生吸盘样机在光滑玻璃表面可以产生 436N的吸附力,约是其体重的 340倍,在更粗糙的表面上,如鲨鱼皮上,其产生的吸力约为 167N。通过实验,课题组还首次揭示,吸盘内部鳍片的主动抬起、鳍片上硬质小刺以及软组织的协同作用使?鱼能够吸附在多尺度的粗糙表面。
最后,研究团队通过将仿生吸盘集成到水下机器人 (ROV)上,实现了类似?鱼的游动 -吸附 -脱离过程。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。
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,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,可发挥重要作用。
2 集成仿生吸盘的水下航行器
文力,机械工程及自动化学院,副教授,卓越百人, E-mail:liwen@buaa.edu.cn
参考文献
Yueping WangXingbang YangYufeng ChenWainwright, Dylan K.Kenaley, Christopher P.Zheyuan GongZemin LiuHuan LiuJuan GuanTianmiao WangWeaver, James C.Wood, Robert J.Li Wen; A biorobotic adhesive disc for underwater hitchhiking inspired by the remora suckerfish, Science Robotics, 2, 10 (2017).
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