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《Science》子刊封面Research Article刊登我校仿生软体机器人研究进展

日期: 2018-01-01       审核人:宋晓东      浏览次数: 

 

  鱼可以在游动中通过头部的吸盘完成对鲨鱼、海豚、海龟、潜水员等不同海洋生物/非生物表面的快速吸附。生物学家形象地将该行为称为“搭顺风车”(hitchhiking),从而减少鱼自身的能耗。其头部的吸盘是由背鳍进化而成,被生物学家称作“脊椎动物解剖学上最奇妙的结构之一”。

顶级期刊《Science Robotics》以长文(Research Article)发表了最新的研究成果“A biorobotic adhesive disc for underwater hitchhiking inspired bythe remora suckerfish”,揭示了鱼软体吸盘的仿生学原理并首次制作了仿生机器人样机。该论文被选为《Science Robotics20179月刊的封面论文。北京航空航天大学为该研究的第一单位、第一通讯单位。这也是我国发表在《Science》机器人子刊上的首篇论文。《Science》官方网站以多媒体形式详细介绍了该项研究。

该研究涉及到包括生物力学、材料、化学、机器人等多个研究领域交叉。文力为该项目负责人,论文的第一通讯作者。北航机械学院2015级研究生王越平、博士后杨兴帮、哈佛大学Yufeng Chen博士为该文的共同第一作者。我校材料学院管娟副教授,化学学院的刘欢教授为该研究提供了材料动态性能测量,表面微观结构等方面的数据,哈佛大学Lauder实验室提供了鱼吸盘的断层扫描数据,哈佛大学Wood实验室制作了微激光加工碳纤维小刺。2014级研究生龚哲元,2015级研究生刘泽民负责水下机器人的制作与演示。王田苗教授参与项目论证与讨论。

该项目共历时4年。课题组先后通过环境扫描电镜、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。主要发现如下: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(如图2)。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15~28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。3).吸盘鳍片上的锥状小刺结构,底部直径为200多微米,顶端部为1-5微米。

研究团队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~3000兆帕)。同时,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,如图2。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,实现了鱼吸盘内部鳍片的微动。仿生样机在光滑表面能够产生340倍,在粗糙表面上产生约100倍自重的吸附力。同时,课题组也首次揭示,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。

 

通过将仿生样机集成到水下机器人上,实现了类似鱼的游动-吸附-脱离。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。

 该项目得到了国家自然科学基金项目“鱼仿生游动吸附机理与实验研究”(项目号:61403012),重点项目“基于软体机器人的水下目标识别与抓取”(项目号:61633004),北航青年拔尖人才项目的支持。

论文链接:

http://robotics.sciencemag.org/content/2/10/eaan8072

 

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