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    自然科学基金项目取得新成果-䲟鱼仿生软体吸附机器人

    日期 2017-11-20   来源: 信息科学部    作者: 宋苏 李建军   【 】   【 打印】   【 关闭

    图. (左)《Science Robotics》论文封面图片;(右)集成䲟鱼仿生软体吸附功能的水下机器人(Science/AAAS Multimedia News截图)

      在国家自然科学基金项目(项目编号:61633004,61403012)等资助下,北京航空航天大学文力副教授牵头的国际合作团队在䲟鱼仿生软体吸附机器人方面取得重要进展。研究成果以“A Bbiorobotic Adhesive Disc for Underwater Hitchhiking Inspired by the Remora Suckerfish”(䲟鱼仿生水下软体吸盘机器人)为题,于2017年9月20日发表在Science的机器人子刊Science Robotics(《科学机器人学》),并被Science Robotics选为2017年9月刊的封面论文,这也是我国学者发表在Science Robotics上的首篇论文。论文链接:http://robotics.sciencemag.org/content/2/10/eaan8072。

      Science官方报道链接:http://www.sciencemag.org/news/2017/09/robotic-remora-can-cling-objects-force-340-times-its-own-weight。

      䲟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),从而减少其自身的能耗。䲟鱼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”。

      文力副教授国际合作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,获得䲟鱼吸盘的宏观与微尺度结构与运动模式,发现䲟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15至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(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1至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1兆帕至3000兆帕),并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,实现䲟鱼吸盘内部鳍片的微动(幅度范围20至200微米)。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。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䲟鱼能够吸附在多尺度的粗糙表面。这项工作不但从生物力学角度揭示䲟鱼的吸附机制,同时也为未来的低功耗水下仿生软体机器人、水下吸附装置提供新的思路。




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