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為了造機(jī)器人，我們搞懂了一個(gè)非常重要的事情：壁虎腳趾頭上的毛是怎么長的 | 戴振東——科學(xué)講壇

時(shí)間：2024-04-08 來源： 瀏覽：

為了造機(jī)器人，我們搞懂了一個(gè)非常重要的事情：壁虎腳趾頭上的毛是怎么長的 | 戴振東——科學(xué)講壇

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以下文章來源于格致論道講壇 ，作者戴振東

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戴振東   ·   南京航空航天大學(xué)教授
格致論道 · 灣區(qū)第23期 | 2023年7月22日 廣州
各位觀眾大家好，我是戴振東，來自南京航空航天大學(xué)。我的專業(yè)是仿生學(xué)，就是把生物學(xué)和工程技術(shù)結(jié)合起來的學(xué)科。今天我給大家?guī)淼氖?/span> 《從壁虎到爬壁機(jī)器人》 。
壁虎在我們的日常生活中隨處可見，在家里、洞穴里邊都能看到，是一個(gè)很好的仿生對象。但到了真正要做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，我們發(fā)現(xiàn)很難抓到壁虎。
 
于是我們就在《揚(yáng)子晚報(bào)》上登報(bào)征集，誰家有壁虎可以貢獻(xiàn)出來，我們做完實(shí)驗(yàn)以后會把它們放生。
 
我們在南京找到了多疣壁虎，但是發(fā)現(xiàn)這種壁虎依然比較小。幸運(yùn)的是，在我們國家的廣西、云南有大壁虎分布和飼養(yǎng)。
 
這就是大壁虎的生存環(huán)境。
 
為了養(yǎng)好壁虎，我們模仿這樣的環(huán)境，建造了天然的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
這是我們飼養(yǎng)的壁虎，圖里的這只壁虎剛剛從右下角的那個(gè)蛋里孵化出來。它做的第一件事情，就是把自己的爪子洗得干干凈凈。
 
這是它長大以后這樣的樣子。飼養(yǎng)壁虎的過程也不容易，壁虎也會生病。有一次它得了口角炎，但我們沒有對應(yīng)的獸醫(yī)，只好請我的夫人來給壁虎看病，她是皮膚病研究所的醫(yī)生。
“毛茸茸”的腳抓得牢
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我們都知道結(jié)構(gòu)決定功能，那么 壁虎腳上的結(jié)構(gòu)到底是什么樣子？
 
這就是南京的多疣壁虎的腳，它腳上的剛毛從500倍、5000倍到1萬倍逐步地放大。結(jié)構(gòu)上是一根剛毛在末端分成了好多小的鏟狀絨毛分支，而每一個(gè)小末端都小到了我們頭發(fā)絲的千分之一到百分之幾。
 
這是大壁虎腳上長的剛毛，中間這張實(shí)際是放大2000倍的樣子，結(jié)構(gòu)也是非常小。
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我們進(jìn)一步看一下壁虎腳上的毛在腳趾頭上是怎么長的。這是我們用X射線衍射（X-ray Diffraction，XRD）做的效果，模擬了壁虎腳趾上面叫做皮瓣的細(xì)長結(jié)構(gòu)。皮瓣上白白的就是它的毛。壁虎正是靠著這樣一些毛茸茸的東西，使自己能夠吸附在各種各樣的表面上。
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這個(gè)視頻演示了壁虎爪子的4個(gè)指頭是怎么樣抓上光滑的玻璃的。人的手指做不到外翻，但壁虎的手指會先外翻，然后把5個(gè)指頭內(nèi)收，從而牢牢地抓到天花板上。壁虎想要脫附的時(shí)候會外翻手指，想要黏附的時(shí)候就內(nèi)收。
 
那這個(gè)黏附過程是依靠什么樣的力學(xué)機(jī)制呢？在這里，我們必須提到一個(gè)叫范德華的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者。范德華先生在研究液體凝固的過程中發(fā)現(xiàn)了 范德華力 。
范德華力的細(xì)節(jié)比較復(fù)雜，簡單地說就是， 分子離得非常近的時(shí)候，物體間就會產(chǎn)生一種排斥力 。分子之間離得很近的時(shí)候產(chǎn)生的是排斥力，而且排斥力隨距離接近增加得非?？?；但是離得相對比較遠(yuǎn)的時(shí)候，反而會產(chǎn)生一個(gè)吸引力。
 
這張圖體現(xiàn)了范德華力和靜電力是怎么相互作用的。當(dāng)兩個(gè)分子表面的距離非常小，小到我們頭發(fā)絲的萬分之一，也就是大概一個(gè)納米的時(shí)候，形成的范德華力要比靜電力要大很多。
有了范德華力作為理論基礎(chǔ)，我們接下來要做的就是做出像壁虎一樣很細(xì)很細(xì)的毛。
制造仿壁虎黏附材料
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我們有2個(gè)技術(shù)路徑，其中一個(gè)就是用碳納米管制作，可以用垂直徑向生長的碳納米管來實(shí)現(xiàn)這樣的功能。但是不幸的是，目前這項(xiàng)技術(shù)還難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
▲左：德國公司的仿生黏附材料
中、右：在南京市溧水區(qū)支持下研制的黏附材料
左邊這個(gè)圖，就是由我在德國時(shí)的合作導(dǎo)師擔(dān)任技術(shù)指導(dǎo)的公司做出的仿壁虎黏附材料，中圖和右圖是我們團(tuán)隊(duì)在南京市溧水區(qū)的支持下研制的仿生黏附材料。大家看到的這個(gè)已經(jīng)放大了很多倍。
我給大家簡單地講一下制作方法。我們使用的模具是金屬的，需要在1平方厘米以內(nèi)打6萬個(gè)到20萬個(gè)孔，然后把高分子材料注進(jìn)去，而且還要給每一個(gè)孔里邊修出一個(gè)喇叭口來。
有了這樣的結(jié)構(gòu)，就可以來看它 如何應(yīng)用 。
仿壁虎黏附材料可以應(yīng)用于 航天員訓(xùn)練 。在軌失重條件下，航天員們存在骨流失等問題，需要進(jìn)行一定的鍛煉。
另外，航天員們在太空中時(shí)還做著各種各樣的工作，也都需要鍛煉。伸肌的鍛煉比較好做，屈肌的鍛煉以前一直沒有辦法做。
我們在地球上抬腿的時(shí)候，因?yàn)橛兄亓Γ蕴葧r(shí)需要用力，這樣就能使肌肉得到鍛煉。但是在微重力環(huán)境下，抬腿不需要使太大的力氣，就沒有辦法鍛煉。
 
▲全球首個(gè)實(shí)現(xiàn)失重環(huán)境下
屈肌鍛煉的裝置：仿生黏附鞋
于是我們研制了 仿生黏附鞋 。航天員穿上這個(gè)鞋子，抬腿的時(shí)候就會對肌肉產(chǎn)生刺激，能夠得到很好的鍛煉效果，這樣就可以做屈肌訓(xùn)練了。
▲合作研發(fā)用于失重條件下的黏附材料
那么仿壁虎黏附材料在微重力環(huán)境下還有沒有其他應(yīng)用呢？這是我們和北京紫微公司合作，用失重飛機(jī)做的模擬。我們在10秒鐘完全無重力的情況下，做了一個(gè)黏附實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證明在完全失重情況下，仿壁虎黏附材料可以產(chǎn)生非常好的黏附力。
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▲合作研發(fā)用于空間碎片捕獲的黏附材料
這是另一個(gè)實(shí)驗(yàn)。我們用氣浮臺把兩個(gè)200多公斤的東西浮起來，以此模擬微重力的環(huán)境，通常情況下這兩個(gè)東西碰撞接觸后會分開，但是用了仿生黏附材料的物體后，它們在相撞之后結(jié)合成了一體，還可以被拉著跑。
這樣的黏附材料就可以用于太空。 如果軌道上有一個(gè)空間碎片，就可以用黏附材料把它抓住， 讓碎片脫離軌道。甚至可以把這個(gè)碎片“廢物利用”，作為空間制造的材料。
適應(yīng)各種環(huán)境的仿壁虎機(jī)器人
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那是不是有了仿壁虎材料，壁虎機(jī)器人就可以被很輕易地制造出來了？實(shí)際上，仿壁虎機(jī)器人比我們想象的要復(fù)雜不少。
 
仿壁虎機(jī)器人涉及到好幾個(gè)方面的問題。 機(jī)器人的各個(gè)機(jī)構(gòu)就像我們?nèi)说年P(guān)節(jié)，我們要考慮它是一個(gè)什么樣的結(jié)構(gòu)。最重要的是，我們要考慮如何制造仿壁虎機(jī)器人的腳。
然后就是考慮機(jī)器人要怎么運(yùn)動(dòng)。因?yàn)樗且粋€(gè)四足的腿式機(jī)器人，運(yùn)動(dòng)時(shí)有多重步態(tài)，包括三角步態(tài)和對角步態(tài)等等。三角步態(tài)就是三個(gè)腳落在地上，一個(gè)腳走；對腳步態(tài)就是兩個(gè)腳在支撐狀態(tài)，另外兩個(gè)在走。我們需要調(diào)和它在復(fù)雜環(huán)境下的步態(tài)。
除此之外，還涉及到驅(qū)動(dòng)和控制，包括過驅(qū)動(dòng)的問題。 這四個(gè)部分的研究總體上是一個(gè)螺旋式上升的問題。
為了解決這個(gè)問題，我們要學(xué)習(xí)和研究壁虎到底是怎么運(yùn)動(dòng)的。這三個(gè)圖分別是壁虎在天花板、墻及地面上跑步時(shí)的行為學(xué)。
 
這是我們?yōu)榱搜芯勘诨⒃趺催\(yùn)動(dòng)研制的全球首臺多維力傳感器。我們后來已經(jīng)把這個(gè)多維力傳感器做成了一個(gè)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。
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視頻中從左向右分別是壁虎在天花板，墻及地面上運(yùn)動(dòng)反力的規(guī)律，也就是壁虎在天花板、墻和地面上的力學(xué)控制模式。知道了壁虎在各種情況下怎么受力，我們在做機(jī)器人的時(shí)候就可以用同樣的規(guī)律來控制。
 
經(jīng)過20多年的研究，我們團(tuán)隊(duì)做出了一系列的壁虎機(jī)器人，2004年的這個(gè)機(jī)器人長得又丑，跑得又慢，到30°的傾面上就會滑下來。而2023年做的這個(gè)壁虎機(jī)器人無論在粗糙或光滑的表面都可以運(yùn)動(dòng)，可以在墻上運(yùn)動(dòng)，甚至還可以在天花板上運(yùn)動(dòng)。
這是我們的幾款仿壁虎機(jī)器人。最左邊的機(jī)器人正在一個(gè)垂直的玻璃表面爬行，而且這個(gè)時(shí)候機(jī)器人只有一個(gè)爪黏附著。中間的機(jī)器人有4個(gè)爪，黏附在一個(gè)模擬空間站的表面。最右邊這個(gè)機(jī)器人在凹形的表面黏附著。如果是在一個(gè)凸形表面運(yùn)動(dòng)，它可以通過使勁增加一點(diǎn)法向力，讓自己運(yùn)行起來更加的方便。但是如果是凹形表面的運(yùn)動(dòng)會更加困難。經(jīng)過幾年的研究，我們也讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了在凹形表面黏附的功能。
▲左：仿壁虎機(jī)器人墻面運(yùn)動(dòng)
中：實(shí)現(xiàn)光滑面快速黏附攀爬
右：實(shí)現(xiàn)不同粗糙面上運(yùn)動(dòng)
這分別是仿壁虎機(jī)器人在垂直的墻面、光滑面和不同粗糙面上的快速運(yùn)動(dòng) 。 最右邊這個(gè)圖中的不同的顏色表明這兩個(gè)表面的粗糙度是不一樣的。
為了讓仿壁虎機(jī)器人能在全空間運(yùn)動(dòng)，像壁虎一樣能夠在各種表面之間過渡，我們做了大量的模擬和分析。
▲左：墻角過渡仿真
右：天花板上黏附爬行
左邊是壁虎怎么樣從地面上爬到墻上的仿真圖。我們先觀察了壁虎是怎么做的，然后仿照壁虎，規(guī)劃機(jī)器人應(yīng)該怎么做。右邊是仿壁虎機(jī)器人在模擬天花板上的攀爬。
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▲仿生柔性爪機(jī)械臂

我們想看這個(gè)技術(shù)能不能解決我們工業(yè)和日常生活中面臨的問題，比如 柔性搬運(yùn) 上面。這個(gè)仿生柔性機(jī)械臂可以搬像圣女果一樣很小的東西，還可以搬運(yùn)雞蛋這樣比較脆弱的東西。生雞蛋很容易碎，但是在抓取時(shí)不需要力控，抓到就能走。 因?yàn)榉律嵝宰Ρ旧淼姆ㄏ蛄苄?，接觸很溫柔，就可以輕易地把它抓走。同時(shí)，各種各樣的水果，重的、輕的，包括軟的東西，都可以被抓起來。

這是我們最近研制的仿壁虎機(jī)器人，它的爪子可以做到主動(dòng)黏附和主動(dòng)脫附，這樣會使它的工作更加可靠。
這個(gè)也是我們做的一個(gè)仿壁虎機(jī)器人，它正在一個(gè)模擬空間站表面的裝置上面橫著爬，未來可以用于空間站檢測。
仿生術(shù)的更多應(yīng)用
已完成：90%  // // // // / /
那么，未來仿壁虎機(jī)器人還可以做些什么？
  ▲仿生黏附捕獲裝置變廢為寶
這是一張空間碎片繞地球的分布圖?，F(xiàn)在我們有數(shù)億個(gè)一厘米以上的碎片在繞著我們的地球運(yùn)行，已經(jīng)有若干個(gè)衛(wèi)星被碎片撞擊，我們的中國空間站也曾受到過碎片的干擾。那么 能不能把碎片變成一個(gè)資源，用我們發(fā)明的這樣一個(gè)技術(shù)把它抓起來變廢為寶呢？
除了解決太空碎片問題以外，空間站在遠(yuǎn)端的一些設(shè)備和部件，很難被機(jī)械臂夠到，航天員也很難去對它進(jìn)行檢測，或者對一些運(yùn)動(dòng)部件加注油。我們研發(fā)的這些技術(shù)可能也會 對空 間站設(shè)備檢測和部件維護(hù)起到一些積極作用。
 
人類從大自然得到的啟發(fā)不僅僅來源于壁虎，日常生活里實(shí)際上還有很多例子。 比如在荷花盛開的時(shí)候，我們總看到清清爽爽的荷葉。 基于荷葉效應(yīng)，人們研發(fā)了自清潔涂料，涂上自清潔涂料以后，一陣雨過，馬上就會干干凈凈。
同時(shí)我們注意到了鳥的飛行，于是發(fā)明了飛機(jī)?，F(xiàn)在我們研發(fā)的飛機(jī)可以飛得比任何一只鳥都更遠(yuǎn)、更快、更高。目前我們的飛機(jī)還沒有做到像鳥兒一樣安全，這個(gè)是未來會實(shí)現(xiàn)的一個(gè)夢。
最右邊很漂亮的這張圖，實(shí)際上是個(gè)蜻蜓的腦袋。蜻蜓的神經(jīng)系統(tǒng)相對簡單，但是它可以比我們?nèi)说碾p目快10倍發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，在飛行的過程中抓住蒼蠅把它吃掉。我們從蜻蜓的復(fù)眼中得到啟發(fā)，發(fā)明了ATR視覺感應(yīng)器和復(fù)眼相機(jī)。
自然 讓 我們產(chǎn)生無窮的遐想， 給我們 巨大的、深邃的 思想 啟示。 希望各位年輕的朋友和老朋友們能夠在自然的啟發(fā)下創(chuàng)造出更多的奇跡。
謝謝大家！
- END -
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中國理論物理學(xué)家與生物學(xué)家結(jié)合的典范——回顧湯佩松和王竹溪先生對植物細(xì)胞水分關(guān)系研究的歷史性貢獻(xiàn)(下) |《物理》50年精選文章

為了忘卻的懷念——回憶晚年的葉企孫 | 《物理》50年精選文章

從分子生物學(xué)的歷程看學(xué)科交叉——紀(jì)念金螺旋論文發(fā)表50周年 | 《物理》50年精選文章

美麗是可以表述的——描述花卉形態(tài)的數(shù)理方程 | 《物理》50年精選文章

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趣談球類運(yùn)動(dòng)的物理 | 《物理》50年精選文章

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朗道百年  |《物理》50年精選文章

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宇宙學(xué)這80年 |《物理》50年精選文章

熵非商——the Myth of Entropy |《物理》50年精選文章

物理學(xué)中的演生現(xiàn)象 |《物理》50年精選文章

普渡瑣記——從2010年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?wù)勂?|《物理》50年精選文章

我的學(xué)習(xí)與研究經(jīng)歷 | 《物理》50年精選文章

天氣預(yù)報(bào)——由經(jīng)驗(yàn)到物理數(shù)學(xué)理論和超級計(jì)算 | 《物理》50年精選文章

紀(jì)念Bohr的《偉大的三部曲》發(fā)表100周年暨北京大學(xué)物理專業(yè)建系100周年 | 《物理》50年精選文章

同步輻射歷史及現(xiàn)狀 |《物理》50年精選文章

麥克斯韋方程和規(guī)范理論的觀念起源 |《物理》50年精選文章

空間科學(xué)——探索與發(fā)現(xiàn)之源 | 《物理》50年精選文章

麥克斯韋方程組的建立及其作用 |《物理》50年精選文章

凝聚態(tài)材料中的拓?fù)湎嗯c拓?fù)湎嘧儭?016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)解讀 |《物理》50年精選文章

我所熟悉的幾位中國物理學(xué)大師 |《物理》50年精選文章

量子力學(xué)詮釋問題 |《物理》50年精選文章

高溫超導(dǎo)研究面臨的挑戰(zhàn) |《物理》50年精選文章

非常規(guī)超導(dǎo)體及其物性 | 《物理》50年精選文章

真空不空 | 《物理》50年精選文章

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奮斗 機(jī)遇 物理 |《物理》50年精選文章

關(guān)于量子力學(xué)的基本原理 |《物理》50年精選文章

時(shí)空奇點(diǎn)和黑洞 ——2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)解讀 |《物理》50年精選文章

凝聚態(tài)物理學(xué)的新篇章——超越朗道范式的拓?fù)淞孔游飸B(tài) | 《物理》50年精選文章

物理學(xué)思維的藝術(shù) | 《物理》50年精選文章

對于麥克斯韋方程組，洛倫茲變換的低速極限是伽利略變換嗎？| 《物理》50年精選文章

楊振寧先生的研究品味和風(fēng)格及其對培育杰出人才的啟示 | 《物理》50年精選文章

龐加萊的狹義相對論之一：洛倫茲群的發(fā)現(xiàn)  | 《物理》50年精選文章

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