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如何讓機器人靈活地抓東西?德美科學家向壁虎學習粘附法

發表時間: 2017-06-09 16:49:37

作者: 邢臺瑞光網絡科技有限公司

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霍金近來一直很擔心機器人會“反攻人類”,但其實,機器人現在還應付不了一些小嬰孩都會做的任務:比如拿起一個小番茄。抓東西這個動作看似簡單,但其中涉及到的力的分配、協作十分精巧,可以意會而難以復制。如果工程師要讓機器人給人類拿來一個小番茄,不僅要量身定制復雜的程序,還得時刻準備好打掃殘局:八成機器人不是把番茄砸到地上,就是把番茄捏成番茄醬了。

霍金近來一直很擔心機器人會“反攻人類”,但其實,機器人現在還應付不了一些小嬰孩都會做的任務:比如拿起一個小番茄。抓東西這個動作看似簡單,但其中涉及到的力的分配、協作十分精巧,可以意會而難以復制。如果工程師要讓機器人給人類拿來一個小番茄,不僅要量身定制復雜的程序,還得時刻準備好打掃殘局:八成機器人不是把番茄砸到地上,就是把番茄捏成番茄醬了。

但科學家們一直很善于向自然界中的“老司機”學習。這次,他們找到的“老司機”是壁虎。近日,來自德國馬克斯普朗克智能系統研究所和美國卡內基梅隆大學的一個聯合團隊,模擬壁虎腳掌的粘附力,設計了一款曲面粘附材料,用于制作“柔軟”的機械抓手。相關論文發表在《美國科學院院刊》(PNAS)上。

別說穩穩當當地抓牢一個番茄了,壁虎這種神奇的動物能自如地在墻上、甚至是天花板上游走,仿佛墻壁和它們的腳掌之間存在一種神秘的力量。

這種神秘的力量就是范德華力。在一個原子中,帶負電荷的核外電子會抵消掉原子核的正電荷,因而原子整體上呈電中性。然而,由于核外電子處于不停的運動之中,在某些瞬間,原子的兩側電子分布不均,就會產生極性。如果兩個原子靠得足夠近,就會因為這種極性而產生互相吸引力,即范德華力。

此前,科學家們也不是沒想過利用超細纖維的合成陣列來模擬壁虎的粘附力。不過,這種材料需要背后有像球拍一樣的硬質背襯施加壓力,這就大大限制了材料在曲面上的發揮空間。

這次,德美聯合團隊成功克服了該限制。他們在可拉伸的薄膜上設計了超細纖維陣列,稱之為“薄膜上的纖維狀粘附劑”(FAM),并為此設計了獨特的背襯。

該團隊設計的柔軟機械抓手形似一個淺口漏斗,表面被FAM粘附材料覆蓋。漏斗的頸口連著一個氣泵。一旦FAM觸及平面或曲面物體,氣泵就會抽出漏斗中的空氣,漏斗的圓錐結構迅速扁平下去,材料緊密貼合物體的輪廓。而向漏斗中充氣,抓手就會松開物體。

該結構能以2.5平方厘米(硬幣大?。┑慕佑|面積抓起300多克的物體(約一聽可樂)。在測試中,它能從外壁、內壁、把手處抓起咖啡杯,能無傷地抓起一個圣女果,也能抓起一包薯片。

未參與實驗的加州大學圣塔芭芭拉分校(UCSB)機械工程師圖納(Kimberly Turner)認為,該領域過去只關注納米級的纖維,而沒有著眼于背襯?!霸O計背襯是此類粘附材料走向實用的關鍵?!彼f道。

論文作者之一西提(Metin Sitti)介紹了該結構的一些應用潛力:讓機器去參與組裝一些形狀比較復雜的精密部件,比如汽車部件;讓機器去抓取器官組織;讓負責檢查和維修的機器人輕松爬進飛機或核電站內部。

UCSB的霍克斯(Elliot Hawkes)也在研究仿壁虎的抓取機器人。他指出,此類設計若要走向實用,需滿足三個條件:一是夠耐用,可以抓取、放下物體成百上千次;二是夠規模,起碼要能抓起1公斤的物體;三是和機械鉗、吸盤等設計比起來,性價比要夠高。


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