壁虎是蜥蜴目動物的一種,幾乎盛產(chǎn)于全球各地。由于對危險現(xiàn)場探查的需要,讓專家們想模仿壁虎,做出一個機器人來,讓這種機器人能夠代替人,出入危機現(xiàn)場,不論這種危險現(xiàn)場是平地,還是懸崖,這種機器人都可以像壁虎一樣任意穿行。
在直立墻面能夠行走的機器人,首先要能抓住墻面,其次就是,當每抬起一次腳,都要克服重力的吸引,在保證不掉下去的前提下,繼續(xù)向前、向上行走。
真空吸附,就是把一個小空間內(nèi)氣體抽干凈,而外界空氣壓力依然存在,這樣會形成物體內(nèi)外表面壓力的不同,讓物體被牢牢地壓住、固定。最初,人們懷疑壁虎爪子具有奇特的抽真空生理結(jié)構(gòu),讓它能夠牢牢地抓在墻上。的確有一些動物是靠抽真空原理,得以在絕壁行走。可對于壁虎來說,這個推測似乎并不成立。
真空吸附,主要適用于平滑的表面。而壁虎行走在野外,它腳下的路可能是平坦的,也可能粗糙不平,可是壁虎都能一一走過,看來壁虎腳并不是因為具有吸附效果,才能抓在墻上。在大自然中能夠行走于垂直墻面的動物,不只壁虎,還有很多其他的動物。為什么偏偏要選擇壁虎作為模擬對象呢?
主要是壁虎超強的粘附能力是其他動物所無法比擬的。大壁虎的體重可以達到100克以上,最快的爬行速度1秒鐘可以達到1.5米左右。顯微鏡下的觀察,讓人們發(fā)現(xiàn)了壁虎的奇特之處。也許,就是壁虎腳掌上那一叢叢并不起眼的絨毛,發(fā)揮了奇特作用,能夠讓壁虎行走絕壁。
經(jīng)過顯微鏡放大,人們發(fā)現(xiàn)這壁虎的剛毛末端,還有無數(shù)的小分叉,讓這原本很細的剛毛變得越來越精細。當物體細小到一定程度,它與接觸物間力的作用就會體現(xiàn)出來。
每一根剛毛與垂直墻面間的接觸,都會產(chǎn)生吸引力,幾十萬根剛毛的吸引力,共同形成了一個巨大的拉伸力,讓體重120克左右的大壁虎,可以輕易地被吸附在墻上。壁虎腳上的類似剛毛物質(zhì)具備一定的粘附作用,可以讓壁虎輕而易舉地趴在墻上,可是該如何讓趴在墻上的壁虎動一動,甚至走幾步呢?
僅僅擁有像壁虎一樣的剛毛并不能讓機器人自如行走在墻面。不得已,專家們希望再看看壁虎是不是還有別的秘密武器。為了能夠找到壁虎在墻面屋頂自由行走的原因,專家們又不得不開展一個新的研究。
一方面用高速攝像,看看壁虎的整個走動過程是怎樣的,同時,把每走一步作用在腳上三維方向的力量測出來。當專家放慢壁虎的行走的姿態(tài),他們發(fā)現(xiàn)了壁虎奇特的行走方式。
原來壁虎會根據(jù)不同地形轉(zhuǎn)換行走方式,4只腳之間的密切配合讓它在墻面上行走自如。一種叫做對角運動模式,也就是說,它的左前腿對應(yīng)右后腿,或者反過來,右前腿對應(yīng)左后腿;另外一種運動模式是三角運動模式,通常是三腳處于支撐狀態(tài),然后有一腳移動,移動了以后,換成另外一個三角形。專家們最后采取了三角步態(tài)來做機器人,一只腳邁步、三只腳抓牢墻面的行走方式,這讓壁虎機器人的行走逐漸流暢起來。
雖然目前,壁虎腳掌還有很多尚待研究的秘密,壁虎機器人也只能在光滑墻面行走,但不遠的將來,它一定可以越走越快。
人們對于從動物身上獲取靈感的探索從未停止。西北工業(yè)大學航空學院的高廣林博士和他的團隊也正在研究一款動物機器人,他們根據(jù)鳥兒飛行原理而研發(fā)出來的飛行器叫做微型撲翼飛行器。
這只機器小鳥在天空中飛起來的時候,真是像極了一只真正的小鳥。除了能夠低空飛行,機器小鳥還有一個作用,它在空中飛行盤旋時,總會有一些真鳥被吸引過來一起跟飛。
在一次試飛中,機器小鳥遇到了一只烏鴉,這只烏鴉對于機器小鳥很有敵意,跟著機器小鳥飛了很久。還有一次在成都,機器小鳥飛行的時候,遇到一只老鷹,老鷹試圖攻擊它,圍著它轉(zhuǎn)了幾圈,然后,老鷹就嘗試抓機器小鳥,但是并沒有把機器小鳥打下來,它很無奈也就飛走了。
利用機器小鳥會吸引很多真正鳥類跟飛的特點,它可以被放在機場上空飛行,進行驅(qū)逐鳥類的工作。這樣的應(yīng)用能有效確保民航飛行的安全,避免過去人工驅(qū)鳥的麻煩??墒?,研究這樣一款機器小鳥,難道僅僅是作為吸引小朋友的飛行玩具,或者僅僅為了驅(qū)鳥,它還有什么本領(lǐng)呢?2011年5月,西安市戶外救援隊接到一個救援任務(wù),一位學生孤身一人在秦嶺山中走失,已經(jīng)一天一夜沒有回家。于是救援隊想借助西北工業(yè)大學的無人機技術(shù),在大范圍內(nèi)進行一個搜索,以盡快鎖定目標,減少人力和時間的投入。
他們的撲翼飛行器目前裝載的有效載荷主要就是一個微型數(shù)字攝像機,用于對地面的一些目標進行拍攝,它可以在一定的高空,很清晰地分辨地面的房屋、車輛、人員這樣的目標。
鳥兒飛走之后,很快就順利傳回了它拍攝到的地面信息??墒怯捎跁艿娇諝鈹_動以及機翼撲動的影響,它傳回來的畫面穩(wěn)定性差的問題又如何解決呢?
原來,機器小鳥配備了后臺圖像處理系統(tǒng),實時傳回的抖動畫面經(jīng)過處理,可以變得非常穩(wěn)定,為救援指揮中心決策提供了可靠的信息。經(jīng)過十多分鐘的搜索,救援人員終于通過實時傳回來的航拍圖像,看到大山深處搭建的一個帳篷。通過機器小鳥傳回的畫面,救援隊員緊接著通過畫面中目標的坐標,根據(jù)衛(wèi)星定位系統(tǒng)再次進行計算和分析,最終確定了迷路學生的位置。搜救隊員根據(jù)精確計算出的位置,迅速趕到出事地點,經(jīng)過細心的搜索,搜救隊員及時救出了這名迷路的學生。
縱觀飛行器的發(fā)展歷史,近年來,隨著微電子和微機械等技術(shù)的飛速發(fā)展,飛行器的設(shè)計開始出現(xiàn)一種向小型化、微型化發(fā)展的新趨勢。微型飛行器的研究已經(jīng)逐漸演變?yōu)槭澜绶秶娘w行器和機器人領(lǐng)域的研究熱點,而飛行器要微型化,機翼的設(shè)計就顯得非常重要。西北工業(yè)大學航空學院設(shè)計的這種飛行器就采用了撲翼的設(shè)計,顧名思義,這種飛行器的機翼是模仿鳥類的翅膀撲動而得來的靈感。
撲翼飛行器通過撲動一對或多對機翼,產(chǎn)生飛行所需的升力和推力,通過無線電遙控或自主飛行系統(tǒng)進行飛行控制,并能夠攜帶一定的有效載荷執(zhí)行預(yù)定任務(wù)。這個特點,是其他飛行器無法比擬的優(yōu)勢。
近年來,針對撲翼飛行器中的空氣動力學研究成果表明,撲翼飛行器機翼的撲動,使得其飛行姿態(tài)與自然界的飛行動物十分類似,地面人員幾乎無法用肉眼區(qū)分它與鳥類的區(qū)別,這使得撲翼飛行器具有極好的欺騙性和隱蔽性,具有很高的作戰(zhàn)效能和戰(zhàn)場生存能力。
微型撲翼飛行器是一個涉及多學科的高新技術(shù)領(lǐng)域,這項研究在一定程度上反映一個國家的科技水平,不僅對國防建設(shè)有重大意義,同時也能夠在多個民用領(lǐng)域獲得應(yīng)用。在不久的將來,微型撲翼飛行器必將應(yīng)用在多維空間,成為我們未來生活的新伴侶。
山東大學機器人研究中心有個長得很奇怪的機器人被命名為大狗,與以往各種機器人不同的是,大狗并不依靠輪子行進,而是通過4條鐵腿行走,因此又叫四足機器人。
大狗的4條腿完全模仿動物的四肢設(shè)計,內(nèi)部安裝有特制的減震裝置。
它的行進速度可達到每小時7千米,能夠攀越35°的斜坡,可攜帶重量超過150千克的武器和其他物資。
這種機器狗的體型與大型犬相當,具有極強的適應(yīng)能力。它可以為士兵運送彈藥、食物和其他物品,能夠行走和奔跑,而且還可跨越一定高度的障礙物。
可不要小瞧了這個四足機器大狗,它的越野能力和負重能力還真挺讓人驚訝。在惡劣的環(huán)境下,它也能堅持完成任務(wù)。因為在山地,無論是悍馬還是其他型號的越野車,越野能力總是有限的,爬不了山。在山上沒路時,就只好用這種足式機器人來運輸,再就是外星探測,比如月球、火星這種地方,也可以用這種工具。
四足仿生機器人在快速奔跑的時候,至少有兩條腿是抬起來的,所以它在奔跑的時候是不穩(wěn)定的,因此動態(tài)穩(wěn)定控制非常重要,這是一個非常關(guān)鍵的技術(shù)。
山東大學機器人研究中心的這臺仿生四足機器人,目前還不能真正走出實驗室,在它的動力系統(tǒng)研制方面,目前仍然存在一些技術(shù)難題。在實驗室里我們看到,四足機器人現(xiàn)在還需要龐大的柴油發(fā)動機為它提供動力,可是在實際的應(yīng)用中,如果它總是帶著這個發(fā)動機,可怎么工作呢?這個機器人整體的重量,將來應(yīng)該是120千克左右,所以這個機載的液壓動力系統(tǒng)必須進行微型化設(shè)計。
自古以來,自然界就是人類各種技術(shù)思想、工程原理及重大發(fā)明的源泉。種類繁多的生物經(jīng)過長期的進化過程,使它們能適應(yīng)環(huán)境的變化,從而得到生存和發(fā)展。動物是人類的好朋友,但是只有少數(shù)幾種動物通過訓練可以完成人們發(fā)出的一些指令,而通過仿生學的原理制造的這些小鳥、大狗、壁虎機器人雖然現(xiàn)在還是在實驗階段,但是在不久的將來他們一定會更加完美,在特殊的情況下成為“動物先鋒”為人們排憂解難。