多姿多彩的大自然，總能給人類無(wú)窮無(wú)盡的靈感，因而造就了很多科學(xué)技術(shù)的發(fā)明。人們模仿生物的特殊本領(lǐng)，利用生物結(jié)構(gòu)和功能原理，研制機(jī)械或各種新技術(shù)，這就是仿生學(xué)。而今，又一項(xiàng)精彩的仿生學(xué)成果在北京航空航天大學(xué)誕生了。

9月21日，國(guó)際頂級(jí)期刊《科學(xué)》（Science）雜志機(jī)器人子刊《科學(xué)·機(jī)器人學(xué)》（Science Robotics）以長(zhǎng)篇封面報(bào)道刊登北京航空航天大學(xué)文力副教授課題組牽頭、與哈佛大學(xué)合作的科研團(tuán)隊(duì)最新研究成果——仿生yin魚軟體吸盤機(jī)器人。北京航空航天大學(xué)為該論文的第一單位、通訊單位。這也是我國(guó)在《科學(xué)·機(jī)器人學(xué)》上發(fā)表的首篇論文。雜志官方通過(guò)圖文、多媒體兩種形式詳細(xì)撰文介紹了該項(xiàng)研究。

從一張圖片得到靈感，前后耗時(shí)四年，攻克三大難關(guān)……文力把一臺(tái)小小的機(jī)器人放在掌心，娓娓道來(lái)一段精彩的科研故事。

好奇心始自一張圖片

人們常常感嘆于造物主的神奇。在浩瀚的海洋里，有一種身體細(xì)長(zhǎng)的yin魚，在漫長(zhǎng)的進(jìn)化中，它的第一背鰭變成吸盤，從而可以吸附在船底和鯊魚、鰩魚、鯨魚等其他大魚身上遠(yuǎn)游和索食，被形象地稱為“搭順風(fēng)車”。在很多海洋大型魚類的圖片中，緊緊吸附的yin魚身影十分常見(jiàn)。

看到這樣一張圖片時(shí)，文力正在從事3D打印鯊魚皮的研究。他的目光立刻被鯊魚身上這種體態(tài)奇特的小魚吸引住了。“這種‘搭便車’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?！蔽牧貞洠恢睆氖路律涹w機(jī)器人研究的他當(dāng)即對(duì)此產(chǎn)生了興趣，并隱約感到其中存在巨大的應(yīng)用空間。他當(dāng)即在谷歌上搜索了關(guān)于yin魚的吸附機(jī)理和仿生應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)“基本是一片空白”，這一年是2013年。

早在古希臘時(shí)期，先哲亞里士多德就在著作中記載了壁虎的爬行現(xiàn)象?，F(xiàn)在，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)壁虎腳對(duì)垂直表面的超強(qiáng)粘附力來(lái)自于分子間的范德華力，并產(chǎn)生了諸多仿生學(xué)應(yīng)用，研究相對(duì)透徹。但是，范德華力在水下的作用有限，水生生物如何實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)吸附？“水下壁虎”?魚的吸盤是如何發(fā)揮作用、又能怎樣應(yīng)用于人類生產(chǎn)生活？文力下定決心一探究竟。

于是，文力的團(tuán)隊(duì)從中國(guó)福建以及南海區(qū)域購(gòu)買了多批yin魚，小心地空運(yùn)回北京。在實(shí)驗(yàn)室，他們?nèi)斯?chuàng)設(shè)出海水環(huán)境，架設(shè)起一系列觀察研究設(shè)備。對(duì)運(yùn)輸過(guò)程中死亡的魚，也做了全方位的解剖和分析，弄清了yin魚的身體結(jié)構(gòu)。于是，團(tuán)隊(duì)決定投入制作仿生機(jī)器人，真正的挑戰(zhàn)開始了。

逐步攻克“三大難關(guān)”

談起仿生機(jī)器人的研制過(guò)程，當(dāng)時(shí)無(wú)數(shù)個(gè)不眠夜，今天談來(lái)已是云淡風(fēng)輕。文力說(shuō)，團(tuán)隊(duì)先后遭遇了“三大難關(guān)”，這也是如今樣機(jī)成品上的三個(gè)核心技術(shù)。

yin魚頭部吸盤的結(jié)構(gòu)十分精妙復(fù)雜，被生物學(xué)家稱作“脊椎動(dòng)物解剖學(xué)上最奇妙的結(jié)構(gòu)之一”。課題組遭遇的第一個(gè)難關(guān)就出現(xiàn)在吸盤的制作上。

此前，利用環(huán)掃電鏡、Micro CT、高速相機(jī)同步運(yùn)動(dòng)追蹤等生物測(cè)量手段，課題組獲得了yin魚吸盤的宏觀與微尺度結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)模式。他們發(fā)現(xiàn)，yin魚頭部吸盤主要由三部分組成：吸盤外周的唇圈，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。

有了這些數(shù)據(jù)，如何制作吸盤模型？文力第一時(shí)間想到了利用3D打印技術(shù)，但吸盤結(jié)構(gòu)精妙，硬軟兼?zhèn)洌Ｒ?guī)的單一材料3D打印無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

“如果只是簡(jiǎn)單地把硬質(zhì)軟質(zhì)結(jié)構(gòu)拼接起來(lái)，應(yīng)力強(qiáng)度一大就會(huì)迅速疲勞并破碎?！蔽牧φf(shuō)，課題組借鑒參考了多種脊椎動(dòng)物的機(jī)體連結(jié)結(jié)構(gòu)，前后耗時(shí)約一年，終于突破技術(shù)難關(guān)，利用復(fù)合多材料3D打印實(shí)現(xiàn)一體化樣機(jī)成形。吸盤樣機(jī)材料的剛度逐級(jí)梯度地跨越了3個(gè)數(shù)量級(jí)（相當(dāng)于從人體的皮膚到骨骼硬度變化），這項(xiàng)技術(shù)還申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利。盡管如此，課題組還參照yin魚的真實(shí)比例，適度加寬了軟體唇圈部分，使樣機(jī)能產(chǎn)生更強(qiáng)的吸附力。

第二個(gè)難關(guān)出在復(fù)制鰭片上精微的錐狀小刺結(jié)構(gòu)。通過(guò)形態(tài)學(xué)測(cè)量，課題組發(fā)現(xiàn)，在每個(gè)?魚的吸盤上約有2000個(gè)這樣的小刺。這種結(jié)構(gòu)究竟有什么作用？通過(guò)不間斷的觀察探究，他們終于發(fā)現(xiàn)了其中的奧妙。

原來(lái)，yin魚吸盤上的這種小刺能夠自由調(diào)控吸附力的大小。一般情況下，當(dāng)吸盤吸附在物體表面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的法向力，但是切向力并不大。小刺處于放松狀態(tài)時(shí)，吸附力小，脫落也相對(duì)容易。而當(dāng)小刺與吸附表面接觸時(shí)，就會(huì)同時(shí)產(chǎn)生較大的切向摩擦力，從而牢牢吸在物體表面。對(duì)于這種調(diào)控機(jī)制，文力表示：“肌肉的運(yùn)動(dòng)需要消耗能量，當(dāng)驅(qū)動(dòng)小刺的肌肉放松時(shí)，能量消耗會(huì)顯著減少，這是生物體具備的一種智能調(diào)控特性?！?/span>

那么，問(wèn)題來(lái)了，哪種材料既輕、強(qiáng)度又高，還能牢固嵌入鰭片中？經(jīng)過(guò)反復(fù)研究比較，文力選擇了碳纖維材料。但是要加工出如此微小的纖維結(jié)構(gòu)并不容易，課題組和哈佛大學(xué)Robert Wood實(shí)驗(yàn)室一起攻關(guān)，借助該實(shí)驗(yàn)室的高精度激光加工技術(shù)，在幾個(gè)月里不斷修改設(shè)計(jì)方案，終于加工出了尺度、形狀都和真實(shí)?魚結(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。

樣機(jī)做好了，萬(wàn)事俱備只欠東風(fēng)，最后一個(gè)難題就是，怎么讓機(jī)器人動(dòng)起來(lái)？傳統(tǒng)的電機(jī)重量/輸出力比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于生物，且不適合驅(qū)動(dòng)這樣微小的鰭片結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。為此，課題組制作了輕量化、防水的纖維增強(qiáng)軟體直線驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)了?魚吸盤內(nèi)部鰭片的微動(dòng)，幅度約為150微米。

“通過(guò)這三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，我們成功實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人樣機(jī)能夠像真正的?魚一樣牢牢吸附在物體表面，并且通過(guò)內(nèi)部鰭片的主動(dòng)抬起運(yùn)動(dòng)顯著增大摩擦力?！蔽牧o(wú)不感慨地說(shuō)，“在此之前，整整四年，yin魚項(xiàng)目上我們未發(fā)表一篇學(xué)術(shù)論文”。

仿生應(yīng)用前景可觀

魚吸盤之所以有很好的仿生學(xué)應(yīng)用前景，主要體現(xiàn)在兩方面：其一是通過(guò)吸附節(jié)省在水下的動(dòng)力；其二是自動(dòng)調(diào)節(jié)吸附力的大小。

文力介紹，因其超強(qiáng)的吸附力，早年間漁民在?魚尾部牽一根線，用來(lái)釣海龜?，F(xiàn)在，課題組做出的仿生?魚軟體吸盤機(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。同時(shí)，課題組首次揭示了吸盤內(nèi)部鰭片的主動(dòng)抬起運(yùn)動(dòng)可顯著增大吸盤與吸附表面的摩擦力，鰭片上硬質(zhì)小刺和軟組織的協(xié)同作用使吸盤能夠適應(yīng)不同粗糙度的表面等機(jī)理。

“通過(guò)將仿生樣機(jī)集成到水下機(jī)器人上，實(shí)現(xiàn)類似?魚的游動(dòng)-吸附-脫離。這項(xiàng)研究工作不但從生物力學(xué)角度揭示yin魚的吸附機(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?！蔽牧φf(shuō)，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。該項(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。

文力和仿生?魚軟體吸盤機(jī)器人

事實(shí)上，這已不是文力領(lǐng)銜的課題組第一次做出優(yōu)秀的仿生機(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。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人也是文力。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。值得一提的是，軟體章魚觸手的部分關(guān)鍵技術(shù)，同樣對(duì)yin魚仿生軟體機(jī)器人的加工起到重要作用。

一項(xiàng)學(xué)術(shù)成果的取得，離不開團(tuán)隊(duì)的共同努力，文力說(shuō)，自己的研究生、北航機(jī)械學(xué)院2015級(jí)碩士王越平，博士后楊興幫、哈佛大學(xué)Yufeng Chen博士，是這篇論文的共同第一作者。北航材料學(xué)院管娟副教授，化學(xué)學(xué)院劉歡教授為研究提供了材料動(dòng)態(tài)性能測(cè)量、表面微觀結(jié)構(gòu)等方面的數(shù)據(jù)；哈佛大學(xué)Lauder實(shí)驗(yàn)室的Dylan Wainwright與Chris Kanaley提供了yin魚吸盤的斷層掃描數(shù)據(jù)；哈佛大學(xué)Robert Wood實(shí)驗(yàn)室則制作了微激光加工碳纖維小刺；北航機(jī)械學(xué)院王田苗教授參與項(xiàng)目論證并提供寶貴建議。

“得益于北航提供的優(yōu)質(zhì)科研環(huán)境和平臺(tái)，我們能夠不斷取得突破，這次成果登上《科學(xué)》系列雜志封面，也是對(duì)我們目前工作的一個(gè)階段性的認(rèn)可?！蔽牧φf(shuō)，自己的課題組會(huì)再接再厲，未來(lái)依然任重道遠(yuǎn)，同時(shí)也相信北航會(huì)產(chǎn)生更多重量級(jí)的科研成果。