壁虎機(jī)器人 -簡(jiǎn)介

壁虎機(jī)器人是指根據(jù)仿生學(xué)原理，模仿壁虎，設(shè)計(jì)出的一種機(jī)器人。這種機(jī)器人能吸附在墻上行走、代替人類來執(zhí)行反恐偵查、地震搜救等“高難度”的任務(wù)。

美國(guó)

2006年，美國(guó)斯坦福大學(xué)科學(xué)家研制出的壁虎機(jī)器人，能在光滑如鏡的垂直玻璃墻壁上行走如飛。這是科學(xué)家模仿自然界中的壁虎為它設(shè)計(jì)的吸力手在發(fā)揮作用。

原理

參與研制這種機(jī)器人的科學(xué)家Mark Cutkosky解釋了這種神奇吸力手的原理，在每個(gè)吸力手上，都有數(shù)百萬根由人造橡膠制造的毛發(fā)，每根細(xì)毛的直徑大約只有500個(gè)納米左右，比人類的毛發(fā)還細(xì)很多，每根這種毛發(fā)的長(zhǎng)度則只有不到2微米，這使得“粘人”的吸力手能非常的接近玻璃壁的表面，這樣的結(jié)構(gòu)還能夠使得人造橡膠毛發(fā)中的分子和玻璃壁分子的距離異常接近。

此時(shí)，兩者的分子們之間會(huì)產(chǎn)生一種奇異的自然現(xiàn)象，分子弱電磁引力，也叫“范德華力”。每一對(duì)這種力大約可以幫助毛發(fā)產(chǎn)生抓起一只螞蟻的力量。

雖然每一對(duì)力并不大，但是數(shù)百萬根毛發(fā)產(chǎn)生的這種吸力卻能夠產(chǎn)生驚人的力量。根據(jù)斯坦福大學(xué)分子物理學(xué)科學(xué)家們的研究，2平方毫米大小內(nèi)的100萬根這樣的毛發(fā)就能夠支持提起20公斤重量。所以要讓機(jī)器人能夠附著在直壁上，吸力手只需要增大分子接觸面。

在每根毛發(fā)的末梢，還有上千根更加細(xì)小的毛發(fā)分枝，每根毛發(fā)分枝的前端又有一個(gè)分叉。無數(shù)的這種“范德瓦爾斯力”集合起來，“粘人”機(jī)器人也就自然能在墻壁上行走了。事實(shí)上，壁虎也是使用了手掌上數(shù)百萬級(jí)的被稱為“剛毛”的毛發(fā)完成同樣的工作的。

發(fā)展

由于“粘人”機(jī)器人的爬墻能力并不像此前，利用真空吸盤靠大氣壓力吸附在垂直壁上的機(jī)器人那樣依賴大氣壓，所以這種新機(jī)器人在將來可以用在太空探索、空間衛(wèi)星維修和特殊環(huán)境的救險(xiǎn)中。

此外“粘人”機(jī)器人也引起了美國(guó)軍方的關(guān)注，他們希望能夠進(jìn)一步開發(fā)這種產(chǎn)品，讓它們能為特種作戰(zhàn)的士兵提供爬行手套和爬行服裝。

中國(guó)

2011年南京航空航天大學(xué)就研發(fā)出了能代替人來執(zhí)行探測(cè)，拍攝等任務(wù)的仿生壁虎機(jī)器人，除了外形長(zhǎng)的像壁虎，這個(gè)仿壁虎機(jī)器人還能代替人類來執(zhí)行反恐偵查、地震搜救等“高難度”的任務(wù)，并且受邀參加了國(guó)家“十一五”重大科技成就展。

發(fā)展

南航第一代的“大壁虎”仿生機(jī)器人在2004年就已經(jīng)問世。通過7年的更新完善，在改善了運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)、遠(yuǎn)程控制以及電動(dòng)機(jī)更新等問題的基礎(chǔ)上，終于在2011年成功實(shí)現(xiàn)了大壁虎90度的自由爬行。而這個(gè)科研項(xiàng)目也在2006年得到了國(guó)家自然基金的重點(diǎn)項(xiàng)目支持。

外觀

機(jī)器“大壁虎”通體由白色鋁合金組成，長(zhǎng)150毫米(不連尾巴)，寬50毫米左右，而且在不包含電池的狀況下的重量只有250克!不光和真壁虎一樣有“四肢”，還有一條同樣為鋁合金材質(zhì)的長(zhǎng)尾巴?！按蟊诨ⅰ辈捎玫氖强沙潆姷匿囯姵貋硖峁╇娫?，通過芯片來進(jìn)行控制。目前可以實(shí)現(xiàn)在垂直90度的平面上實(shí)現(xiàn)爬行。

原理

原來壁虎能牢牢吸附在墻壁上的本質(zhì)是依據(jù)“范德華力”(分子間作用力，其實(shí)質(zhì)是一種電性的吸引力)來實(shí)現(xiàn)的。它的腳上有50萬根細(xì)毛，粗細(xì)從幾μ到幾十納米不等，只相當(dāng)于頭發(fā)直徑的千分之一。為了能讓仿壁虎機(jī)器人也逐漸向這樣的“無障礙”爬行目標(biāo)“看齊”，戴振東和他的團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)嘗試了不下十種方法來做“毛”，最終成功仿照剛毛吸附原理，通過特殊材質(zhì)成功讓仿壁虎機(jī)器人牢牢“吸”在了垂直90度的墻面上。

仿壁虎機(jī)器人通過模擬壁虎微細(xì)結(jié)構(gòu)，模擬大壁虎腳掌基于分子間的“范德華力”，采用仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿生步態(tài)規(guī)劃、腳掌粘附性能測(cè)試等方法，成功實(shí)現(xiàn)了仿壁虎機(jī)器人90度爬壁運(yùn)動(dòng)。

應(yīng)用

仿生壁虎機(jī)器人將來的推廣范圍非常廣泛。像反恐偵查，人質(zhì)被扣押在一個(gè)密閉的空間里，外人無法進(jìn)去的時(shí)候，我們的仿壁虎機(jī)器人就能派上大用場(chǎng)?！按蟊诨ⅰ笨梢员持鴶z像機(jī)“潛”入密閉空間，拍攝下人質(zhì)所在位置的畫面，從而給狙擊手提供第一手的及時(shí)信息，幫助狙擊手準(zhǔn)確找準(zhǔn)位置。

除此以外，仿生壁虎機(jī)器人在地震搜救的過程中也能發(fā)揮巨大的作用。像一些地震救援隊(duì)無法找到的領(lǐng)域，仿壁虎機(jī)器人憑借著小巧的優(yōu)勢(shì)就能輕易找到，并且及時(shí)通報(bào)給救援隊(duì)廢墟下有沒有被壓埋的人。