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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