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救援机器人,跟着蟑螂学钻缝

蟑螂 仿生 机器人

芸香 发表于  2016-02-14 15:30

※本文含有大量蟑螂动图,你可能需要做好心理准备。

最近,加州大学伯克利分校的科学家们研制出了一种新的机器人,它很适合钻过狭窄的缝隙,这在地震等灾难的搜救工作中可以发挥作用[1]。不过,看到它满地爬的样子,估计还是会有不少人感到不舒服——这个新型机器人长得活像是一只奇怪的大虫子。

图片来自:PolyPEDAL Lab

而要说到这机器人的设计灵感来源,估计就更让人反胃了——没错,就是上面图中的蟑螂。为了制造出伸缩自如的机器人结构,研究者们可是认真地对蟑螂进行了好一番观察试验。在实验室里摆弄蟑螂是有些恶心,不过令人生厌的蟑螂可是自然界的钻缝大师,它们灵活适应环境的外骨骼其实很有借鉴价值。

无孔不入:蟑螂是怎么钻缝的?

生活中,蟑螂的“无孔不入”令人十分头疼,不过,它们这种适应狭窄缝隙的能力则引来了科学家们的研究兴趣。如果能借鉴它们的身体结构和运动方式,机器人们也可以变得更加适应狭窄崎岖的地形。蟑螂身披硬质的外骨骼,但却能迅速调整身体,连远低于自己身体高度的窄缝也钻得过,它们究竟是怎么做到的?

这一次,研究者们就对蟑螂的钻缝能力进行了定量分析,他们还架起高速摄影机,记录下了那些肉眼难以分辨的快速“分解动作”。研究者选择了美洲大蠊作为实验对象,并给它们设置了一系列不同难度的“狭缝逃生”挑战。结果发现,蟑螂们的表现的确惊人,即使当缝隙高度只剩下3毫米时(这仅相当于蟑螂身体高度的1/4),蟑螂依然能够顺利完成挑战。而且,整个钻缝过程只需要几百毫秒时间。

蟑螂钻过3毫米窄缝,10倍慢放

分解动作及示意图。图片来自原论文

高速摄影机记录下了蟑螂钻过缝隙的一系列步骤:它们首先用触角试探出口,将两个触角都伸出缝隙,接下来,它们将身体斜向下,让头部和前肢冲出缝隙,再挣扎着拖动身体通过。蟑螂身上交叠的外骨骼体现出了极好的灵活性,不仅是一道窄缝,它们在连续的狭窄空间中依然表现良好。随着缝隙越来越窄,蟑螂们的身体压缩程度越来越高,腿部也逐渐摊平,但它们的脚到身体中线的距离却基本保持不变,这使得肢体能够最大限度地提供前进的推力。

蟑螂在4毫米高的狭窄空间中前进。虽然活动受阻,但它们依然能够顺利通过。

为了分析蟑螂身体的压缩潜力,研究者们还人为地“压扁”蟑螂,测量了它们所能承受的压缩极限。结果发现,当承受着300倍于自身体重的压缩力时,蟑螂依然可以在狭窄的缝隙中移动;而当受力提高至体重的将近900倍时,看似“压成饼”的蟑螂其实还没有受伤。

要挤扁了!其实这只蟑螂并没有受伤

适应狭窄:自动变形的蟑螂机器人

在分析了蟑螂的钻缝技能之后,研究者们建立起了“窄缝爬行”的物理模型,并在此基础上设计出了蟑螂机器人的雏形。这个机器人无论是外壳还是内部的“腿”结构都能在受压时自动变形,在压力解除时也会很快自动恢复。

不怕挤压的外壳和内部结构

目前,蟑螂机器人已经可以顺利通过不到自己身高一半的狭窄空间,这也使得它们拥有了钻进废墟瓦砾搜救生还者的潜能。

在被压缩50%之后,机器人依然可以顺利前进。

目前的原型机看起来还不甚完美,不过在不久的将来,这些伸缩自如的“机器蟑螂”或许就会真正成为拯救生命的救兵了呢。(编辑:窗敲雨)

文中动图素材均来自原论文。

参考资料:

  1. Cockroaches traverse crevices, crawl rapidly in confined spaces, and inspire a soft, legged robot (PNAS)
  2. http://www.popsci.com/roach-inspired-robot-crawls-even-when-squished?src=SOC&dom=tw

拓展阅读

城市物种日历:美洲大蠊

热门评论

  • 2016-02-14 15:49 samlinlin

    那么高的壳有什么用?直接设计一个扁平的不行吗?

    [39] 评论
  • 2016-02-14 21:28 IVV万岁
    而当受力提高至体重的将近900倍时,看似“压成饼”的蟑螂其实还没有受伤。

    其实我想说,这个技能的进化压力不是窄缝,而是因为拖鞋!

    [31] 评论
  • 2016-02-14 18:14 西泽.贝叶斯

    看到蟑螂钻长缝的那张图,我的第一反应是往那条长缝里边注水……

    [12] 评论

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全部评论(44)
  • 1楼
    2016-02-14 15:35 lyy70

    类似于变形金刚么?似乎还不能主动变形啊。

    [0] 评论
  • 2楼
    2016-02-14 15:49 samlinlin

    那么高的壳有什么用?直接设计一个扁平的不行吗?

    [39] 评论
  • 3楼
    2016-02-14 16:19 flyiop1
    引用@samlinlin 的话:那么高的壳有什么用?直接设计一个扁平的不行吗?

    估计扁了以后会慢些


    [0] 评论
  • 4楼
    2016-02-14 16:45 天降龙虾

    章鱼对蟑螂的钻缝能力表示不屑。。。。。。

    [1] 评论
  • 5楼
    2016-02-14 18:11 西泽.贝叶斯
    引用@天降龙虾 的话:章鱼对蟑螂的钻缝能力表示不屑。。。。。。

    作为软体动物的章鱼在陆地上没有蟑螂跑得快,所以在救援机器人的设计上不考虑软趴趴的章鱼机器人。

    [0] 评论
  • 6楼
    2016-02-14 18:14 西泽.贝叶斯

    看到蟑螂钻长缝的那张图,我的第一反应是往那条长缝里边注水……

    [12] 评论
  • 7楼
    2016-02-14 19:09 why0820
    引用@samlinlin 的话:那么高的壳有什么用?直接设计一个扁平的不行吗?

    高了可以装更多东西,正常情况下占地面积小。但一被压就坏了。

    现在还是那么多东西,正常占地面积还是那么小,但解决了一压就坏的问题:变扁就行了。

    [1] 评论
  • 8楼
    2016-02-14 20:44 梦游侠

    其实蟑螂还是很好玩的,嘿嘿

    来自 果壳的壳
    [0] 评论
  • 9楼
    2016-02-14 21:28 IVV万岁
    而当受力提高至体重的将近900倍时,看似“压成饼”的蟑螂其实还没有受伤。

    其实我想说,这个技能的进化压力不是窄缝,而是因为拖鞋!

    [31] 评论
  • 10楼
    2016-02-14 21:55 窗敲雨 药学硕士
    引用@天降龙虾 的话:章鱼对蟑螂的钻缝能力表示不屑。。。。。。

    章鱼那种完全柔性的结构更适合水下吧,在陆地上感觉优势不明显

    另外柔性结构其实也是机器人会借鉴的一个思路,算是不同的方向吧,下面这是一个水下的机器触手:

    [3] 评论
  • 11楼
    2016-02-14 21:57 窗敲雨 药学硕士

    其实这个机器外壳更像大王具足虫~

    [2] 评论
  • 12楼
    2016-02-14 22:12 梦游侠
    引用@窗敲雨 的话:其实这个机器外壳更像大王具足虫~

    球潮虫吧?

    来自 果壳的壳
    [0] 评论
  • 13楼
    2016-02-14 22:16 梦游侠
    引用@IVV万岁 的话:其实我想说,这个技能的进化压力不是窄缝,而是因为拖鞋!

    那么蟑螂之所以跑得快恐怕也是因为拖鞋,因为当我尝试去捉住一个蟑螂时,它总是跑得比我快

    来自 果壳的壳
    [0] 评论
  • 14楼
    2016-02-14 22:52 longi
    引用@why0820 的话:高了可以装更多东西,正常情况下占地面积小。但一被压就坏了。现...

    但是装上的东西不能受压,光外壳能压也没用啊。不过腿能变形倒是可以。

    [0] 评论
  • 15楼
    2016-02-14 23:11 why0820
    引用@longi 的话:但是装上的东西不能受压,光外壳能压也没用啊。不过腿能变形倒是可以。

    虽然图中有这个问题,但是它提供了一个新的设计思路。

    [0] 评论
  • 16楼
    2016-02-15 09:29 SDS电泳液用雕牌
    引用@窗敲雨 的话:其实这个机器外壳更像大王具足虫~

    同感,软甲还差不多,这造型硬要说是蟑螂估计也就是个地鳖等无翅蠊

    来自 果壳的壳
    [0] 评论
  • 17楼
    2016-02-15 12:36 realkenshin
    引用@西泽.贝叶斯 的话:看到蟑螂钻长缝的那张图,我的第一反应是往那条长缝里边注水……

    倒开水……

    [0] 评论
  • 18楼
    2016-02-15 12:53 西泽.贝叶斯
    引用@窗敲雨 的话:章鱼那种完全柔性的结构更适合水下吧,在陆地上感觉优势不明显另...

    怎么感觉好邪恶的样子(.ω.)

    [0] 评论
  • 19楼
    2016-02-15 14:22 沐雨御风

    仿生学好样的

    [0] 评论
  • 20楼
    2016-02-15 15:33 iam100x

    看机器人觉得挺萌 看蟑螂觉得好恶心

    [0] 评论
  • 21楼
    2016-02-15 16:30 天降龙虾
    引用@西泽.贝叶斯 的话:怎么感觉好邪恶的样子(.ω.)

    在图片的启发下,你终于开始明白俺的意思了。。。

    [0] 评论
  • 22楼
    2016-02-15 16:36 天降龙虾
    引用@西泽.贝叶斯 的话:作为软体动物的章鱼在陆地上没有蟑螂跑得快,所以在救援机器人的设计上不考虑软趴趴的章鱼机器人。

    无需移动,章鱼可以同时钻好多缝。。人家的神经是分布式的,每条腕足上都有相对独立的运动、感受器,所以只要技术过关,章鱼机器人同样能高效完成搜救任务。。。。

    [0] 评论
  • 23楼
    2016-02-15 16:51 影耳

    呼叫液体机器人终结者

    [0] 评论
  • 24楼
    2016-02-15 18:19 可恨的大菠萝

    有没有想看蟑螂被机器压出汁的……

    [2] 评论
  • 25楼
    2016-02-15 20:05 yogurtbirds

    感觉更像蟑螂的亲戚地鳖

    [1] 评论
  • 26楼
    2016-02-15 22:43 渣零
    引用@why0820 的话:高了可以装更多东西,正常情况下占地面积小。但一被压就坏了。

    现在还是那么多东西,正常占地面积还是那么小,但解决了一压就坏的问题:变扁就行了。
    引用@longi 的话:但是装上的东西不能受压,光外壳能压也没用啊。不过腿能变形倒是可以。

    正常情况下可以灵活快速地通过狭窄区域,遇到扁缝可以通过挤压让内部的零件和传感器等摊开适应高度,适合在救援中的复杂多变的地形吧,这样的外壳也能抵挡不太大的碎石沙砾,直接设计成扁的宽度不够的地方比较难通过…个人理解是这样……

    来自那1%的客户端
    [1] 评论
  • 27楼
    2016-02-16 07:53 奥滋

    可是,搜救的话,为什么不用微型机器人……非要一个能踩两脚的,增加趣味性么……

    [0] 评论
  • 28楼
    2016-02-16 08:57 猪猫

    本文告诉我,再小的墙缝也要用防水胶和水泥堵上。

    [0] 评论
  • 29楼
    2016-02-16 09:45 水和瓶

    没人觉得这玩意儿像星际争霸的金甲虫

    [2] 评论
  • 30楼
    2016-02-16 10:05 良木伊人

    酷!

    [0] 评论

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