压愈扁跑愈快!美国柏克莱大学为蟑螂机器人打造仿生弹性 "外骨骼"

 

 

美国加州大学柏克莱分校(UC Berkeley)的生物学团队,近期从无孔不入的蟑螂身上坚韧又具弹性的 "外骨骼" 撷取灵感,研发出一款就算遭受强力挤压,仍能毫发无伤丶敏捷穿越狭窄缝隙的仿生蟑螂机器人 CRAM,未来可望应用於灾难现场搜救丶管线内部侦测,甚至人体医疗手术上。

 

 

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师承柏克莱大学整合生物学(integrative biology)教授罗伯特.富尔(Robert Full)的博士後研究学人卡席克.贾亚朗(Kaushik Jayaram),在近期发表於美国国家科学院院刊(Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS)的论文中指出,一般蟑螂身上的外骨骼其实并不是一整片僵硬丶易脆的外壳,而是由具延展性的软膜所连结的多片硬壳层叠组成;这些软膜能发挥类似 "铰链" 的作用,将这些由几丁质(chitin,又称甲壳素)所构成丶分成一节节的硬壳 "串接" 在一起,而每一片硬壳结构上的软硬程度也有微妙的不同,让这层外骨骼在有效保护柔软躯体的同时,也保留了聚合与发散的弹性。

 

这精巧的构造,让日常随处可见的蟑螂能够承受将近 900 倍於它们体重的强大压力下而毫无损伤,还能在承受 300 倍於本身体重的压力下移动自如,挤过极其狭小的空间。经贾亚朗博士的实验证明,正常状态下,蟑螂的爬行速度每秒可达 60 公分,但即使当它们被迫爬过约只有它们 "身高" 三分之一的 4 公厘窄缝时,仍能有每秒 15 公分的惊人速度!值得注意的是,由於蟑螂受压时腿部关节无法正常发挥行走功能,它会改采一种名为腿式摩擦爬行(frictional legged crawling)的方式前进:就像游泳时在水面滑行一样,蟑螂会藉由身边两侧向旁八字撑开的腿往前滑动,控制具感知功能的小腿内侧往地板推行。只要它们上方的外壳足够平滑丶地板阻力不要太高,就能产生足够的推力往前推进。

 

 

 

 

 

CRAM 是 compressible robot with articulated mechanisms 的缩写,即 "具铰接式机构的可挤压式机器人"。顾名思义,正如同它所模仿的原型蟑螂一样,CRAM 机器人是由一系列富弹性丶可变形的塑胶片 "铰接" 组成具弧度的外壳;这层外壳跟真实蟑螂的外骨骼一样,是与其机体构造紧密结合的一部份,因此加上外壳後只让其原体积增加了 25%。这样特殊的外骨骼结构设计,搭配上具有弹性的 "背脊" 和纵向配置的弯曲腿部,不仅让 CRAM 得以向两侧摊平,腿部可以随着向外摊的躯干顺势旋转高达 90 度之多,还能使它承受高达 1 公斤(约其本体重量的 20 倍)的压力而毫发无损。

 

CRAM 在正常情况下的体积为 18 公分长丶7.5 公分高,重 46 公克,爬行秒速为 27 公分(亦即每秒可以移动约自体 1.5 倍身长的距离);当它受挤压时,则能将身体压扁至只剩下 3.5 公分厚,垂直压缩比率超过 50%,却仍可采取「腿式摩擦爬行」法,达到每秒 14 公分的高速!

 

 

 

 

 

像 CRAM 这样的仿生机器人,究竟可以应用在哪些方面呢?主持柏克莱大学 "多足动物运动行为研究室(Poly-PEDAL lab)"过去 14 年来着力研究蟑螂行为与运动方式的罗伯特.富尔教授表示,未来像是地震丶海啸与爆炸等严重灾难现场,就可以把一群蟑螂机器人扔进崩塌的建筑体丶水泥块里,让它们先行寻找生还者与附近可能的安全出入通道,提供现场救难人员规划参考,以提高搜救效率丶减少生命损失。

 

卡席克.贾亚朗博士也表示,他未来的研究目标是将 CRAM 机器人的体积进一步缩小,并将其改造成全自动化。全自动丶缩小版本的 CRAM 机器人,除了可以在前述搜救(search and rescue)场景小兵立大功之外,还能用来检测都市中无所不在的狭窄烟囱丶管道间,甚至用於人体肠道的检测,帮助外科医生在手术前置作业丶手术过程中了解脏器内部的状况。

 

 

 

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过往实验已证明,当机器人需要快速通过狭窄空间时,"多足机器人" 最占优势。因此,富尔教授同时也指出:他认为蟑螂最适合作为近年来渐受重视的研发趋势 "软机器人学(soft robotics)"的生物范本,也是自然界最具适应性的动物结构。"目前大多机器人学家都以蠕虫丶蛞蝓等无脊椎动物,作为软机器人的仿生原型,但我们认为,『仿生蟑螂』应该会是这个研究领域的最终解决之道;毕竟,蟑螂就跟人类一样具有从躯体延伸的灵活肢干,以及可以产生大量动能的肌肉,这使它的移动可能大幅增加。"

 

拥有坚韧外骨骼保护柔软身躯的仿生蟑螂机器人,既具备传统硬式机器人的行动速度与爆发力,也有软机器人的弹性丶韧性与人体适用性,能够兼具两派之长,未来发展值得加倍关注。

 

 

 

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