自然力:机器人学中的仿生学

大自然就是比人类做得更好。对于工程师来说，这是一个令人难堪的事实，但这往往是事实，说实话，这并不奇怪;如果有数百万年的时间来解决一个问题，进化过程中的随机突变和逐渐变化往往会找到一个解决方案，而这仅仅是人类的聪明才智，甚至在计算机的帮助下，都无法做到。

因此，模仿自然的解决方案一直是工程师工作的一部分;机器人技术可能是工程师试图复制生物能力的最重要领域，它为生物启发技术提供了肥沃的土壤。研究自然界的解决方案是生物学家的职责，但他们对生物实现看似不可能的事情(比如爬上陡峭光滑的表面)的经常令人惊讶甚至看似反常的方法的见解，往往可以为工程师提供如何解决完全不同问题的想法。例如，没有海星尝试过举起南瓜，但研究它们的脚是如何工作的，并允许它们在复杂而有纹理的珊瑚礁拓扑结构上抓住和操纵四肢，可以使机器人能够处理形状笨拙、精致的物体。

哈佛大学的乔治·怀特塞兹是一位著名的化学家和教科书作者，但他目前正致力于开发生物启发系统，用于抓取和处理等活动。“我们所做的不是生物学，”他最近在英国皇家学会的一次会议上说。“例如，传感器、肌肉和大脑(以及处理信息的其他器官)系统的组合，使鱿鱼能够控制其触手的过程，我们仍然无法理解。我们所做的只是试图了解触手的机制，以便我们可以模仿它的一些特征，即使这种模仿中使用的机制与鱿鱼使用的机制无关。”

从来没有海星试过举起南瓜，但研究它们的脚是如何工作的，可以让机器人处理形状笨拙、精致的物体

Whitesides说，基于自然的系统吸引工程师的原因有几个。“它们往往与人类合作得很好，因为它们的功能部件通常是柔软的，所以它们不像具有快速移动金属部件的重型工业机械那样危险。”而且，它们往往更简单，因为很多时候我们通过简单地利用建筑材料的特性以及我们如何驱动它们来取代复杂的电子或机械控制系统。这通常意味着它们相对便宜，所以它们可以一次性使用。例如，为搜索和救援任务的搜索部分(例如在倒塌的建筑物的废墟中寻找地震幸存者)而制造的软体仿生机器人可以被遗弃在废墟中。”

怀特塞德斯的生物灵感研究是从海星开始的，因为海星的形状有助于制作抓手系统。他解释说:“工业界对抓手很感兴趣。”“像亚马逊这样的公司正在寻找处理仓库中各种形状和大小的物品的新方法，因此一种灵活的、多功能的、可以自我调整以处理各种物品的夹具非常有趣。”

这种机器人的身体是由聚二甲基硅氧烷(一种柔软的硅橡胶)制成的，手指上布满了气动通道和充气细胞。只要给这些腔室充气，手指就会卷起来。“它们从尖端向根部卷曲，这不是机械驱动的结果;只是从材料的结构和性能来看，”怀特塞兹说。“你可以引入更多的结构，比如手指长度上不那么灵活的部分。它们就像关节一样;指关节在手指上。”

“像亚马逊这样的公司正在寻找处理仓库中各种形状和大小的物品的新方法，因此一种灵活的、多功能的、可以自我调整以处理各种物品的夹具非常有趣。”

乔治·怀特塞兹，哈佛大学

自亚里士多德以来，壁虎的攀爬能力就引起了工程师和科学家的兴趣，这也是斯坦福大学机械工程师马克·库特考斯基的研究课题。库特科夫斯基指出，壁虎的脚所表现出的干附着力(在没有任何油或粘合剂的情况下粘附在表面上)对太空界来说特别有趣，因为它是少数几种在真空、低温、非磁性表面上工作的粘附技术之一，需要低力将物体附着和分离到表面上。因此，它们是燃料箱和太阳能电池板等项目的研究对象。Cutkosky说:“在可控条件下，在小范围内，一些合成干性粘合剂的粘附水平甚至大大超过了壁虎。”“然而，没有一种合成粘合剂能完全捕捉到壁虎攀爬系统的理想特性。也许是因为这个原因，尽管有很多关于干粘合剂的出版物，但受壁虎启发的攀爬机器人的数量仍然很少。”

卡特科夫斯基自己的研究是开发攀爬机器人，利用壁虎式的机械装置附着在物体表面，同时也在开发一种机械装置，使人类能够使用同样的技术，像蜘蛛侠一样，爬上光滑的墙壁，而不需要在墙壁上嵌入安全带或装置。他解释说，壁虎的黏合剂是它们脚趾结构的一种功能;它们脚底的皮肤分成细小的毛发状结构，称为刚毛，长约100微米，并进一步分成更细的毛发，长约2微米，顶端是扁平的结构，称为刮刀。

当壁虎把脚压下去时，这些刮刀的边缘接触到表面;然后，当动物沿着表面拉它的脚时，铲子的表面被拉到表面上。这使得被称为范德华相互作用的非常小的力——将液体和蒸汽聚集在一起的同样微弱的力(例如在云中)——起作用。单独的作用力很小，但是遍布壁虎足部的刮刀的累积效应足以使整个动物保持在表面上，即使它是垂直的或天花板。事实上，它非常坚固，壁虎可以挂在一个脚趾上。

Cutkosky强调，一个关键因素是它的方向性;它只有在从手掌向脚趾尖施加力时才会起作用。否则，它一点也不粘。他说:“如果你触摸壁虎的脚，即使它当时粘在你身上，你也不会觉得粘。”

Cutkosky最初的实验壁虎攀爬机器人，被命名为Stickybot(也许不是最好的名字，因为我们已经看到壁虎实际上并不粘)，它的脚底是由薄楔形硅橡胶制成的，尖端宽20微米，长80微米。在“卸载”状态下，当这些脚接触表面时，楔形的尖端首先接触;因此它们不粘。但在一个小而不断增加的剪切力的作用下，边缘弯曲，使它们的平面靠近表面。

“因此，它们代表了一种非常简化的壁虎的竖柄和刮刀，它们在卸载时也呈现出一个小的接触区域，但当朝首选方向拉时，它们会变平，形成一个更大的接触区域，”Cutkosky说。“尽管微楔的最大粘附应力比壁虎毛低得多，但它们足以用于攀爬机器人和其他应用。”

Cutkosky认为，将这种机制整合到机器人中对工程师和生物学家来说都是卓有成效的。对于工程师来说，这是前进的唯一途径。他同意怀特塞兹的观点，他指出，我们不可能复制动物的运作方式;我们只能近似。事实上，他说，一些仿生学工程师，比如伯克利大学生物力学实验室主任Bob Full教授，认为工程师根本不应该试图复制自然，因为进化是建立在“刚刚好”的基础上的，并在此基础上进行优化:这不是工程师开发技术的好方法。“因为我们不能精确地复制复杂的生物结构，我们试图确定最重要的影响，所以我们可以将它们纳入我们在自然界中观察到的简化近似，”Cutkosky说。“然后，我们制造出体现这些原理的机器人机构，并对它们进行测试。”对于Stickybot，该团队使用了一种称为形状沉积制造的技术，该技术允许他们将硬聚合物和软聚合物与嵌入的纤维结合起来。

他说:“正是在这个阶段，机器人技术可以为生物学家和工程师提供有用的信息，因为在机器人身上进行全面的测试比在动物身上容易得多。”“即使是壁虎和昆虫有时也没有心情与好奇的科学家合作，你不能强迫蜥蜴在它不想爬墙的时候爬墙。”然后我们分析结果，总是要完善我们的假设和机器人的实现，这样循环往复。”

壁虎的一些壮举是机器人专家难以复制的;例如，它们既能爬墙也能爬下墙，但要做到这一点，它们必须把后脚转过来，这样它们就能面向相反的方向。这影响了机器人专家思考问题的方式，Cutkosky说。“从机器人力和运动规划的角度重新审视壁虎的定向粘附结构是有用的。对于机器人的控制，在多维力空间中考虑允许力的约束和区域是有用的。目标是规划机器人脚的受力轨迹，使接触力保持在安全区域。”

“机器人技术可以为生物学家和工程师提供有用的信息，因为在机器人上进行全面测试比在动物上进行测试容易得多。你不能强迫蜥蜴爬它不想爬的墙

Mark Cutowsky，伯克利大学

举个例子，他解释说附着力是可变的;这取决于壁虎沿着墙壁拉脚的力度，这也可以应用于机器人的运动。当壁虎(也就是机器人)爬上墙壁时，必须施加很大的剪切力以获得最大的粘附力。当准备在一个台阶的末端分离它的脚时，它会放松剪切力，将法向力(将脚压入墙内)和剪切力(沿着墙拉使铲子就位)的组合带向场地的原点，使它几乎没有分离力就可以分离它的脚。“在实践中，采用这种装卸策略对于使Stickybot机器人平稳可靠地攀爬至关重要。”

这就是模型构建和研究的由来。如果壁虎爬墙，直觉可能会告诉你，它的两只脚都用同样的力，或者用更低的脚用力。这就是人类攀登的方式，用腿比胳膊施加更多的力来获得高度。“但这恰恰是错误的策略，”库特科夫斯基说。“相反，壁虎或机器人应该用它的前肢更用力地拉，这样它就有更多的附着力来工作。”

其中一种应用方式与攀爬机器人毫无关系;相反，它正与微型无人机(MAVs)一起使用，这样它们就可以停在垂直的墙壁、窗户和天花板上。这就绕开了微型车辆不可避免的局限性;它们太小，无法携带足够的力量长时间飞行。栖息意味着它们可以在不消耗太多能量的情况下进行监视或对大气进行采样。但由于模仿壁虎的粘合剂是定向的，无人机必须以这样一种方式着陆，即加载其“壁虎面板”来产生粘附——也就是说，最初是面朝上——然后稍微拖动其“刚毛”来产生范德瓦尔斯相互作用。

Cutkosky说:“飞行器通常以每秒10米的速度飞行，然后向上倾斜，将速度降至每秒1 - 2米。”“这仍然是相当快的，但这是可取的，因为它使MAV比靠近墙壁悬停的车辆更不容易受到气流的影响。”飞行原理就像让MAV在太空中穿过一个漏斗，在每个阶段的目标都是让飞行器到达下一个漏斗的口。更复杂的是，着陆顺序必须包含足够的时间让刚毛弯曲。

解决这个问题的一种方法是设计一个带有两块瓷砖的夹持系统，每块瓷砖都配有壁虎状的干燥粘合剂表面，但其排列方式是使粘合剂以相反的方向工作:也就是说，瓷砖相互拉紧时粘在一起，推开时分离。它们在顶部由一个由弹簧材料制成的三角形桁架连接在一起，另一个连杆作为两个瓷砖之间的张紧筋。当MAV着陆时，它使三角桁架坍塌，张紧筋将瓦片拉向彼此。要想脱下，它首先要稍微压入表面以脱离粘合剂。

天然的和工程的壁虎黏合剂有很多不同之处，Cutkosky说，不仅仅是不同机制的制造方式。“在制造合成壁虎粘合剂时，我们使用批量制造工艺，如光刻图版和微加工。当我们从微观特征发展到宏观特征时，我们通常需要采用完全不同的工艺和机器，”他解释说。“新的制造和原型工艺，如微加工和形状沉积制造，扩大了我们的材料、尺寸尺度和几何形状的储备，但并没有克服每增加一个层次和复杂性都是昂贵的限制。”

怀特塞兹提出了一些生物灵感可能会取得成果的领域。例如，蟑螂可能是比壁虎更好的灵感来源，尤其是在搜索和救援中;它们可以在各种崎岖的地形上机动，滑行到小空间，甚至用两条腿冲刺。

能源使用是大自然可以教给我们很多东西的另一个领域:“例如，一个小马大小的硬机器人使用的能量是小马的100倍，但功能却更少，”他说。“为什么?我们不了解生物系统效率的限制，但我们了解机械、人造热机所做功的热力学。”

他补充说，活细胞建立能量网络的方式——新陈代谢——也超出了我们的能力。“这些网络是我们无法理性构建的。核心要素是个体反应通过环境敏感催化剂(尤其是酶)“相互对话”的能力。这些网络是如何工作的，为什么它们稳定?”怀特塞兹总结道，这个问题实际上是问“生命是什么?”的另一种方式。