「水上飘」轻功了得!能靠表面张力行走丶跳跃的「水蜘蛛」机器人

 

 

南韩首尔大学(Seoul National University)和美国哈佛大学魏斯仿生工程研究院(Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at Harvard University)近期研发出一架精确重现自然界生物比例的迷你「水黾」(读音ㄇㄧㄣˇ,台湾俗称「水蜘蛛」)仿生机器人,能凭藉表面张力及腿部特殊「力矩翻转弹射」设计,在水面行走丶跳跃达 14.2 公分高。

 

根据 7 月 31 日在重量级期刊《科学》上发表的论文研究团队在当地一座池塘里采集了多只活生生的水黾放置在实验室的水桶里,再以高速摄影机拍摄它们的行为。研究团队发现,水黾能够漂浮在水面上,最主要得力於它能将体重平均分摊於大块表面积的长腿,而从水面跳起时,水黾用以跳跃的 4 只腿会采用「渐进式加速」,其峰值力(peak force)始终维持在 144 mN/m 以下,以避免破坏水的表面张力;同时,其腿部还会往内收合,以尽可能增加接触水面的时间,这麽做能够提升它向上的推力达 42% 之多。

 

 

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根据实验观察结果和水黾生物体的真实比例,研究人员打造出一架重量只有 68 毫克(0.068 公克),身长仅 2 公分丶腿长却足足有 5 公分的小型机器人,它的身体构造受折纸艺术启发,具摺叠丶弹开的能力,而它的长腿则模仿真正的水黾,腿部末端的「脚趾」处呈弯曲状,并涂上了一层防水的超疏水(superhydrophobic)奈米材质。

 

当它跳起时,其仿照跳蚤腿部设计的力矩翻转弹射(torque reversal catapult)跳跃机制,会逐渐增加腿部的往下的施力,最高垂直加速可达 14 g,离开水面时最高峰速(peak velocity)则可达每秒 1.6 公尺,让这架机器人能够从水面跳起达 14.2 公分高,超过自体身长 7 倍,完美重现自然界一般水黾的跳跃实力。

 

 

 

 

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(以上二图来自 YouTube 原视频,点击此处可至:http://youtu.be/CnFBXM5641k)

 

 

 

目前已知第一架能够在水面上跳跃的小型机器人,是 2012 年由中国哈尔滨工业大学的研究团队所开发。不过,当时那架机器人有 6 英寸长(15.24 公分)丶重 11 公克,虽然只跟一枝木制铅笔差不多重,却已比正常水黾重约 1000 倍。它使用 5 只以碳纤维及防水发泡镍(water repellant nickel foam)制成的桨状脚,让它得以维持平衡丶漂浮在水上。

 

不过,2012 年哈尔滨工业大学所研发的机器人是利用 3 只脚保持平衡,剩下 2 只弹跳用丶装有弹簧机制的後脚则藉由发泡镍的抗水性,以及踏下水的那一刻所造成的水压,在脚边制造出隔绝水面的空气气囊,好让它一蹦达到 6 英寸高丶14 英寸(35.56 公分)远,超过其身长的 2 倍。比起水黾,其跳跃机制其实更类似自然界中同样能够「水上飘」的双冠蜥(basilisk lizard)。

 

 

 

 

 

相较之下,这次南韩首尔大学与美国哈佛大学合力研发的这座水黾机器人,身形更为迷你,跳跃机制更仰赖表面张力,设计比例也更接近自然界所模仿的生物体。虽然目前它无法连续跳跃,落地时也无法保持平衡,但其相对简单的构造,让它有机会以较低廉的价格大量生产。

 

研究团队表示,未来希望能以此为基础,开发出除了能在水面上跳跃,还能游泳丶完成其他复杂任务的水滨机器人,它们除了可以大量群集(swarm)方式散布於特定河川或海洋地区来监控生态与水质,也可以协助紧急救灾搜寻,或作为「间谍」机器人用在军事监测上。

 

 

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(本图来自 YouTube 原视频,点击此处可至:http://youtu.be/CnFBXM5641k)

 

 


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