作者:王方 来源:中国科学报 发布时间:2022/3/1 12:57:37
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蜈蚣机器人来了

 

 蜈蚣机器人    图片来源:Daniel Goldman实验室

很多人看到巨大的蜈蚣会吓得发抖,而美国乔治亚理工学院生物物理学家Daniel Goldman实验室却研究出了这些无脊椎动物如何擅长在人脚、沙土、岩石甚至水中欢快地奔走。在最近一次学术会议上,他们报告称已经研发了一种蜈蚣机器人,有望在田间穿行以清除杂草。

蜈蚣身长腿多,能进行各种运动。这种节肢动物拥有工程师羡慕的“速度、优雅和效率”。尽管如此,它们如何移动尚不清楚。

未参加这项工作的美国弗吉尼亚理工大学生物力学专家Jake Socha表示,该研究表明灵活性使动物有广泛的行为能力,这些发现揭示了此前未知的蜈蚣运动原理。

Goldman一直以来对蜈蚣很着迷,但分析它们的运动几乎是不可能的,因为它们有太多的身体节段和腿需要追踪。他的博士后Yasemin Ozkan-Aydin此前在《科学—机器人》上发表研究,把两个或三个四足机器人连接在一起时,更长的机器可以跨越更宽的间隙并爬过更大的障碍物。这次,他们共同研究蜈蚣运动。

另一位乔治亚理工学院本科生Eva Erickson研究了蜈蚣如何改变自己的奔跑方式。Erickson利用一个名为DeepLabCut的复杂视频跟踪程序发现,六棘盲蜈蚣会改变步态,以适应地形的挑战。

正常情况下,六棘盲蜈蚣的腿像手指在桌子上敲击一样摆动,但有时波的方向会改变。在平面上,波从最后一段开始向前移动。当情况变得“艰难”时,波就会反转。蜈蚣前腿首先移动以建立立足点,此后每条腿也跟着做,落在与前一条腿完全相同的位置。障碍物越高,蜈蚣越有可能采取这种所谓的逆行运动。

如果蜈蚣掉进水里,它们也可以“游泳”自救。乔治亚理工学院研究生Kelimar Diaz在研究这种行为时,发现蜈蚣会根据环境调整自己的动作。它们通过摆动腿开始“游泳”,但随后迅速将身体从一侧扭转到另一侧,然后向前移动。“身体的波动产生了正确的力量”。

另一名研究生Baxi Chong分析了腿和身体不同的波是如何同步的。为了预测哪种组合效果最好,他使用数学建模技术,该模型产生了大量腿波和体波的组合,之后在一个蜈蚣机器人上进行了测试。

Chong给蜈蚣机器人编程,让它的腿和身体同步移动。但他很快发现,当两个波之间存在滞后时,机器人的速度更快。进一步测试显示,一些组合使机器人向后移动。

Goldman实验室随后的研究发现,如果机器人的腿是关节相连的,而且身体各部分柔韧,那么它的工作效果会更好。“柔软对动物和机器人有很多好处。”Socha说,“又长又瘦的动物可以利用波的组合移动。”

Goldman的新机器人非常灵活,下一步是训练它们完成实际任务,比如识别和根除杂草。他与杜克大学植物发育生物学家Philip Benfey合作,计划为该机器人配备人工智能软件,可以识别出单个杂草。两人设想机器人可以通过注射除草剂、使用激光或放电来除草。

或许有朝一日,成群结队的机器蜈蚣将帮助人类完成任务:种植和收获作物、搬运货物、监测环境,甚至太空探索。

 
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