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球形 Jollbot 看上去不像蚱蜢,但它的跳躍能力卻源於這些微小的生物。昆蟲沒有像袋鼠那樣跳躍的肌肉動作,因此它們像壓縮彈簧一樣儲存能量,然後突然釋放以躍起。同樣,當柔性 Jollbot 被壓扁然後釋放時,它會向上彈起大約 20 英寸(50 釐米)的高度。
Jollbot 是 仿生 機器的一個例子——這種機器從自然界中汲取靈感,用於其外觀、行為和物理機制。仿生學或仿生設計並非新鮮事物(想想:萊昂納多·達·芬奇基於鳥翼的滑翔機)。但 Jollbot 的設計師,英格蘭巴斯大學機械工程博士候選人 羅德里·阿莫爾 說,工程師和機器人專家現在“積極地從自然界中尋找解決特定工程問題的方法”。
阿莫爾於 2003 年在巴斯大學仿生與自然技術中心完成了他的博士研究工作,他尋求一種機制,使機器人能夠探索崎嶇的環境,這種環境會阻礙步行和輪式裝置。經過四年和三個版本的機器,他於 12 月推出了 Jollbot。除了跳躍之外,當其類似沙灘球的身體完全伸展和繃緊時,該裝置還可以沿著崎嶇的地形滾動。想象一下它在火星上,像 Jollbot 這樣的機器人可以滾動和彈跳在 NASA 的輪式和履帶式探測車無法到達的區域。
斯坦福大學設計研究中心聯合主任 馬克·庫特科斯基 表示,在過去十年中,仿生設計蓬勃發展。他說,生物學家擁有更好的工具——例如用於觀察奈米級千分之幾物體的先進顯微鏡——這使他們能夠更多地瞭解動物及其物理機制。佐治亞理工學院機器人專家羅納德·阿金指出,用於他的研究的機器人制造成本大幅下降:現在製造一個機器人的成本約為每單位 1,000 美元,而不是 30,000 美元。
與此同時,新技術使工程師們能夠超越設計經過美化的機械臂的夢想:所謂的 “叢集機器人” 像軍蟻一樣協同工作以移動相對較重的物體;消防水帶兼蛇形機器人 可以在撲滅火焰之前在地板上滑行;日產正在開發一種避免碰撞系統,該系統基於蜜蜂——蜜蜂使用複眼觀察幾乎周圍的所有方向,並在嗡嗡作響時改變方向,當它們感覺到路徑中有東西時。
加州大學伯克利分校的生物學家 羅伯特·富爾 堅持認為,仿生學不僅僅是掠奪自然世界。自 20 世紀 90 年代中期以來,他一直與工程師合作,當時他幫助開發了受螃蟹啟發的 Ariel,這是一種由 iRobot 公司(以 Roomba 機器人吸塵器而聞名)製造的掃雷機器人,可以在衝浪區尋找埋藏的爆炸物。他說,他鼓勵的設計“利用你在自然界中發現的有利原則和類比,並將它們與工程相結合,以製造出比自然更好的東西”,而不是僅僅模仿自然提供的。他說,進化不是終極工程師;相反,它遵循“足夠好”的原則——對以前的設計進行漸進式改進,而不是從頭開始構建更好的設計。
去年,富爾與人在加州大學伯克利分校共同創立了教育與研究綜合生物力學中心 (CiBER),以促進生物學家和工程師之間的互助關係:前者提供後者可以在其裝置上使用的機制,然後這些機制可以作為模型來推進生物學。Stickybot 是富爾與斯坦福大學的庫特科斯基合作開發的,它可能最能體現這一原則。
2003 年,五角大樓的先進研究機構國防高階研究計劃局 (DARPA) 花費數百萬美元委託建造一種可以攀爬牆壁進行監視的機器人。結果是 Spinybot,它可以在微型爪子的幫助下攀登樹木和水泥牆等粗糙表面,微型爪子的尖端帶有微小的刺,這種機制借鑑了蟑螂等昆蟲。Stickybot 於 2006 年首次亮相,可以爬上窗戶等光滑表面,它使用了一種受壁虎啟發的粘合劑。蜥蜴的腳上有數百萬根剛毛——基本上是末端分裂的毛髮——它們利用分子間力來實現“定向粘附”:如果它們的剛毛遇到朝一個方向移動的表面——比如從左向右移動——它們就會粘附;當朝相反方向移動時,它們會剝落。“這就像 Scotch 膠帶,你不需要按壓就可以粘住它,”庫特科斯基說。
工程師注意到,如果他們的攀爬機器人沒有尾巴,它們就會從牆上掉下來。“我們認為[壁虎]從不使用它們的尾巴,”富爾回憶說,但事實證明它們會使用。後肢有助於爬行動物穩定自身並防止頭部後仰,從而導致它們頭朝下掉到地面。
然而,確定這一小部分生物物理學知識需要建造一個機器人。“這就是仿生學的發展方向,”富爾說。“它不僅僅是對設計的粗略和膚淺的建議。”