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救援机器人,跟着蟑螂学钻缝
无孔不入的蟑螂令人头疼,不过它们适应狭窄缝隙的能力却能帮助人们设计新型的搜救机器人。※本文含有蟑螂动图,你可能需要做好心理准备。
频道编辑:editor01 时间:2017-04-05

※本文含有大量蟑螂动图,你可能需要做好心理准备。

最近,加州大学伯克利分校的科学家们研制出了一种新的机器人,它很适合钻过狭窄的缝隙,这在地震等灾难的搜救工作中可以发挥作用[1]。不过,看到它满地爬的样子,估计还是会有不少人感到不舒服——这个新型机器人长得活像是一只奇怪的大虫子。

图片来自:PolyPEDAL Lab

而要说到这机器人的设计灵感来源,估计就更让人反胃了——没错,就是上面图中的蟑螂。为了制造出伸缩自如的机器人结构,研究者们可是认真地对蟑螂进行了好一番观察试验。在实验室里摆弄蟑螂是有些恶心,不过令人生厌的蟑螂可是自然界的钻缝大师,它们灵活适应环境的外骨骼其实很有借鉴价值。

无孔不入:蟑螂是怎么钻缝的?

生活中,蟑螂的“无孔不入”令人十分头疼,不过,它们这种适应狭窄缝隙的能力则引来了科学家们的研究兴趣。如果能借鉴它们的身体结构和运动方式,机器人们也可以变得更加适应狭窄崎岖的地形。蟑螂身披硬质的外骨骼,但却能迅速调整身体,连远低于自己身体高度的窄缝也钻得过,它们究竟是怎么做到的?

这一次,研究者们就对蟑螂的钻缝能力进行了定量分析,他们还架起高速摄影机,记录下了那些肉眼难以分辨的快速“分解动作”。研究者选择了美洲大蠊作为实验对象,并给它们设置了一系列不同难度的“狭缝逃生”挑战。结果发现,蟑螂们的表现的确惊人,即使当缝隙高度只剩下3毫米时(这仅相当于蟑螂身体高度的1/4),蟑螂依然能够顺利完成挑战。而且,整个钻缝过程只需要几百毫秒时间。

蟑螂钻过3毫米窄缝,10倍慢放

分解动作及示意图。图片来自原论文

高速摄影机记录下了蟑螂钻过缝隙的一系列步骤:它们首先用触角试探出口,将两个触角都伸出缝隙,接下来,它们将身体斜向下,让头部和前肢冲出缝隙,再挣扎着拖动身体通过。蟑螂身上交叠的外骨骼体现出了极好的灵活性,不仅是一道窄缝,它们在连续的狭窄空间中依然表现良好。随着缝隙越来越窄,蟑螂们的身体压缩程度越来越高,腿部也逐渐摊平,但它们的脚到身体中线的距离却基本保持不变,这使得肢体能够最大限度地提供前进的推力。

蟑螂在4毫米高的狭窄空间中前进。虽然活动受阻,但它们依然能够顺利通过。

为了分析蟑螂身体的压缩潜力,研究者们还人为地“压扁”蟑螂,测量了它们所能承受的压缩极限。结果发现,当承受着300倍于自身体重的压缩力时,蟑螂依然可以在狭窄的缝隙中移动;而当受力提高至体重的将近900倍时,看似“压成饼”的蟑螂其实还没有受伤。

要挤扁了!其实这只蟑螂并没有受伤

适应狭窄:自动变形的蟑螂机器人

在分析了蟑螂的钻缝技能之后,研究者们建立起了“窄缝爬行”的物理模型,并在此基础上设计出了蟑螂机器人的雏形。这个机器人无论是外壳还是内部的“腿”结构都能在受压时自动变形,在压力解除时也会很快自动恢复。

不怕挤压的外壳和内部结构

目前,蟑螂机器人已经可以顺利通过不到自己身高一半的狭窄空间,这也使得它们拥有了钻进废墟瓦砾搜救生还者的潜能。

在被压缩50%之后,机器人依然可以顺利前进。

目前的原型机看起来还不甚完美,不过在不久的将来,这些伸缩自如的“机器蟑螂”或许就会真正成为拯救生命的救兵了呢。(编辑:窗敲雨)

文中动图素材均来自原论文。

参考资料:

  1. Cockroaches traverse crevices, crawl rapidly in confined spaces, and inspire a soft, legged robot (PNAS)
  2. http://www.popsci.com/roach-inspired-robot-crawls-even-when-squished?src=SOC&dom=tw

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