獵豹是陸地上跑得最快的動物，壁虎可以飛檐走壁如履平地，即使是令人厭惡的蟑螂也可以達(dá)到200英里的時速——動物世界里的種種奇跡不僅令生物愛好者們?nèi)绨V如醉，還為仿生機(jī)器人的設(shè)計提供了寶貴的靈感。多年來，美國麻省理工學(xué)院(MIT)的教授兼機(jī)器人設(shè)計師吉姆(Sangbae Kim)一直致力于將動物的生理機(jī)制嫁接到機(jī)器人身上，并取得了一系列令人矚目的成果。日前吉姆推出了自己的最新設(shè)計——一只以獵豹為原型的仿生機(jī)器人，其速度可達(dá)每小時35英里。
吉姆指出，輪式機(jī)器人在平地上的作業(yè)效率尚可，然而行動速度過慢卻是其致命弱點。例如iRobot公司生產(chǎn)的美國軍用機(jī)器人PackBot時速僅為5.8英里。而獵豹異常靈活的脊椎可在奔跑中提供額外的加速度或助推力。根據(jù)他的計劃，研究小組將使用碳-纖維-泡沫合成材料構(gòu)造一個輕量級的機(jī)器人原型，其速度可與獵豹媲美。
多年來，吉姆一直致力于衍生自生物學(xué)模型的機(jī)械設(shè)計。他認(rèn)為，動物王國為創(chuàng)造移動機(jī)器人提供了最寶貴的靈感。運動是動物生活的核心部分，也是其最重要的功能之一。它們需要不斷地尋找食物、水源、住處或逃離天敵。通過對其生理機(jī)制的簡化和改造，以吉姆為首的研究小組創(chuàng)造了一系列頗具突破性的仿生機(jī)器人。其中包括不久前問世的壁虎機(jī)器人Stickybot。吉姆介紹說，壁虎可以在垂直的墻壁上如履平地，其速度約為每秒1米。這種非凡的能力使其成為爬蟲機(jī)器人的完美榜樣。壁虎的身手之所以如此靈活，其奧秘在于一種名為“定向粘連”(directional adhesion)的功能，它可以使壁虎在前進(jìn)過程中一面牢牢吸附在墻壁上，一面迅速地將四肢與墻面分離。此外，壁虎的腳墊上覆蓋著一層細(xì)毛，其直徑至多是人體頭發(fā)絲的千分之一。在分子間的相互作用力下，這層細(xì)毛可以牢牢地附著在物體表面，從而在垂直攀爬的過程中支撐壁虎的體重。
吉姆借鑒了壁虎的構(gòu)造，為Stickybot打造了一種擁有硅橡膠毛發(fā)的腳墊。由于其厚度大于壁虎的腳掌，機(jī)器人的爬行能力也受到了一定的限制。目前它只能攀爬非常平滑的表面，如玻璃或白板。不過，以吉姆為首的研究小組正致力于完善相關(guān)技術(shù)，以便未來Stickybot能夠攀爬紋理不均勻的墻壁。屆時爬蟲機(jī)器人的應(yīng)用范圍亦將得到極大的拓展，如水下石油管道的維修和高樓窗戶的清洗等。
除了壁虎之外， 蜘蛛也為吉姆的爬蟲機(jī)器人設(shè)計提供了不少靈感，例如目前正在接受測試的Spinybot——一個六足機(jī)器人，它身上的微型爪子或小刺同樣可對物體產(chǎn)生附著力。和貓類不同，Spinybot無需用小刺穿透物體表面，只需“摳”住那些輕微的凸起或凹陷即可前進(jìn)。它的每只腳上約有10個趾頭，每個腳趾上都有兩根毛刺，上面的機(jī)械裝置可以獨立拉伸，以便分擔(dān)體重。此外，身后的尾巴也減少了前肢所需的力量。目前SpinyBot的研制已經(jīng)取得了成功，研究小組的下一個目標(biāo)是利用該技術(shù)打造重型機(jī)器人。
蟑螂或許是世界上最令人厭惡的生物，然而它在吉姆的研究中同樣扮演了重要的角色。蟑螂在1秒中逃竄的路程是其身體長度的50倍，按照人類的標(biāo)準(zhǔn)換算即為每小時200英里。吉姆在實驗中發(fā)現(xiàn)，蟑螂腿的伸張頻率約為每秒鐘15次，它們主要是依靠自身的力學(xué)性能前進(jìn)，而不是對腿部運動的精確控制。正是基于這一發(fā)現(xiàn)， 吉姆設(shè)計了自己的第一款仿生機(jī)器人——iSprawl，以便對運動動力學(xué)、腿部的設(shè)計和組織理念進(jìn)行測試。它是一個手掌大小的六足機(jī)器人，擁有一塊電池、一個電動馬達(dá)、推拉式電纜傳輸系統(tǒng)和電力輸送系統(tǒng)，該系統(tǒng)可將旋轉(zhuǎn)功力轉(zhuǎn)換為腿部的推力，其速度可達(dá)每秒7.5英尺。隨著iSprawl的問世，吉姆的“蔓延式”(sprawl)機(jī)器人家族也開始在科學(xué)界嶄露頭角。
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