章鱼和蜗牛启发顶刊论文：科学家研发人造吸盘，可用于机器人抓取与攀爬

时事新闻2024-05-27 01:57:30无忧百科

附着，是生命体重要的能力之一，比如人类的抓握、章鱼的吸附等。

真空吸附，是一种非常特殊的附着方式。相比于手的抓握，它不需要完全包覆物体，只需一小块接触面即可实现附着。同时，它的能耗极低、负载力极高。

因此，自然界中的许多生物进化出了带有吸盘的器官，这些器官常见于软体动物，如头足纲（章鱼）、腹足纲（蜗牛、海螺）以及一些寄生虫等。

凭借独特的优势，人造真空吸盘也成为了人类社会中重要的工具，服务于日常生活和工业生产。

然而，当前的人造真空吸盘仍然远不及章鱼和蜗牛等拥有的生物吸盘。

首先，目前的人造吸盘极易在不规则表面产生泄漏。而章鱼等生物的吸盘却能牢牢地吸附在岩石、贝壳等不规则物体的表面。

其次，目前的人造吸盘仅能静态附着在物体表面，而蜗牛却可以边滑行、边维持着极高的真空吸力。

因此，是否可以通过技术手段改进人造真空吸盘，使其突破现有瓶颈，实现生物吸盘的特殊能力呢？

近年来，英国布里斯托大学博士毕业生岳天奇和所在团队，针对章鱼和蜗牛的吸盘器官开展了一系列研究。

图 | 岳天奇（来源：岳天奇）

先后研发了对不规则表面具备极高适应性的真空吸盘（下称“适应性吸盘”）和模拟蜗牛滑行的滑动吸盘（下称“滑动吸盘”）。

这些成果在机器人的末端操作和附着移动方面有较大的应用潜力。

（来源：Nature Communications）

具体来说，课题组所开发的适应性吸盘，可以在无真空泵辅助的情况下，抓取许多粗糙、且表面崎岖的物体（如岩石、木材等），这将极大提高机器人的通用性末端执行能力。

相比于使用辅助真空泵的持续抽吸来弥补在不规则表面上的泄漏的传统方案，他们的方案可以极大降低能耗、降低设备成本和减小噪音。

与此同时，他们开发的滑动吸盘则能提供一种全新的机器人附着移动方式。

相比于以往的机器人附着方式（如磁吸、壁虎粘附、静电吸附等），滑动吸盘具有以下独特优势：

其一，负载能力强且附着力恒定，不存在足式攀爬机器人移动时的附着力突变的问题；

其二，能量利用率极高，所有负载力均由吸盘负压被动承担，无需额外供能。

此前爬壁机器人方案能耗大，必须用电缆持续供能，这限制了机器人的活动范围与应用场景。

而针对人力难以覆盖的表面机器人巡检维护，滑动吸盘技术则能提供一种解决方案。

同时，滑动吸盘的能耗极低，仅需携带电池包就可以长时间工作，具备野外、大范围、长时间的遥控作业基础。

滑动吸盘所具备的高负载能力，还允许其搭载多种作业工具，实现表面巡检时的在线作业。

其应用场景覆盖高楼外墙、大型化工和仓储设备外壳、风机叶片、船舶壳体等。

（来源：Nature Communications）

据介绍，这一系列研究始于 2019 年。当年，岳天奇加入布里斯托大学机器人实验室攻读博士学位，导师是软体机器人知名学者乔纳森·罗斯特（Jonathan Rossiter）教授。

Jonathan Rossiter 教授鼓励学生自由选择研究方向，因此岳天奇在博士一年级几乎没有进行任何具体研究，而是对软体机器人当前的发展水平进行了广泛了解。

经过一年的调研与尝试，岳天奇对蜗牛这个平凡但不简单的软体动物产生了兴趣，开始尝试将它强大的负载滑行能力复刻到机器人中。

（来源：Nature Communications）

很多人认为蜗牛是利用粘液“粘”在物体表面的，但他意识到仅凭粘性很难实现如此强大的附着力。

他猜测，蜗牛与同属腹足纲的鲍鱼一样会利用真空吸附。为了验证这个想法，他将蜗牛放置在不透气的平面上，发现它们吸得很牢固。

当他用针在平面上戳了几个极小的透气孔后（不影响粘力），蜗牛就可以很轻易地被取下。这说明蜗牛在光滑平面上的附着力大部分来源于真空吸力。

他意识到，假如以此为灵感将为机器人提供一种全新的附着移动方式。然而，在保持极高的真空密封性的同时，蜗牛如何实现稳定连续的滑行，这仍然是一个未解之谜。

尽管一些生物学文献证实：蜗牛的滑行是通过非牛顿流体性质的粘液和产生传递波的肌肉的协同作用实现的。

但是，当时岳天奇并没有可行的机器人设计方案来模拟这种行为。因此，仿蜗牛滑动吸盘的研究被暂时搁置。

他转而对章鱼吸盘开展研究。当时，学界认为章鱼吸盘对不规则表面的强大适应性，来源于其灵活的肌肉运动和柔软的表皮对于物体形状的贴合密封。

然而，固体-固体间的密封总会残留微小缝隙，而即便是微米级的微小缝隙，仍会导致整个吸盘的泄漏失效。

显然，仅凭固体密封不足以实现类似章鱼吸盘的强大适应性。

一些学者意识到，液体密封提供了提高吸盘适应性的另一条路，因为带有吸盘器官的生物总是生活在液体环境中。

液体密封的原理是使用液体填充残留的微缝隙，利用液体远高于气体的粘度延缓泄漏速率，延长吸附时间。

然而，过往研究并未对生物吸盘液体密封的原理进行更加深入的研究。

通过阅读相关生物学文献，岳天奇发现粘液腺广泛存在于生物吸盘中（包括䲟鱼、蜗牛、章鱼等生物）。

而且吸盘粘液腺的分泌速度，被证明受到神经的主动支配调控。这说明，生物吸盘的适应性来源于其肌肉-表皮-粘液腺产生的固液耦合密封作用。

这一猜想令他豁然开朗，并据此设计出了仿生适应性吸盘。

后来，岳天奇所在团队与布里斯托机器人实验室的司维永博士、杨辰光教授合作，完成了机械臂协同适应性吸盘灵巧操作极度不规则物体的挑战性实验。

最终，相关论文以《受调节水分泌增强用于复杂干燥表面的生物启发多尺度自适应吸盘》（Bioinspired multiscale adaptive suction on complex dry surfaces enhanced by regulated water secretion）为题发在 PNAS[1]。

岳天奇是第一作者，Jonathan Rossiter 教授担任通讯作者 [1]。

图 | 相关论文（来源：PNAS）

在适应性吸盘的设计中，他们使用亲水性硅胶作为吸盘底面，以便让水（模拟粘液）在微小缝隙中均匀地扩散。

其发现，水不仅可以大幅增强吸盘的适应能力，还能大幅降低吸盘与表面间的摩擦力。

被水润湿的吸盘，可以在表面上近乎无摩擦地自由滑动，同时仍能维持强大的真空吸力。这与蜗牛的吸附滑行行为几乎一致。

该方案也让之前搁置的仿蜗牛滑动吸盘研究得以重启。后续研究也非常顺利，只需设计机器人的机电系统和控制算法，并通过实验证明其有效性即可。

经过短暂的设计、制造和实验，岳天奇等人证明滑动吸盘机器人，有着强大的负载能力（测试负载 11 倍自重，理论负载 55 倍自重）和极低的能耗（理论能耗比现有爬壁机器人方案降低 90% 以上）。

期间，为了让岳天奇更好地观察蜗牛的生理结构和运动方式，Jonathan Rossiter 教授亲自去草丛捕捉蜗牛。“他对于科研的热情和纯粹给我留下了深刻的印象。”岳天奇说。

最终，相关论文以《用于攀登机器人的蜗牛式水强化软滑动吸盘》（Snail-inspired water-enhanced soft sliding suction for climbing robots）为题发在 Nature Communications[2]。

岳天奇是第一作者，Jonathan Rossiter 教授担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Communications）

尽管课题组对于仿生真空吸附的原理已经有了较为深刻的理解，并且已经实现了一些机器人应用，但是现阶段的人造吸盘仍然与生物吸盘有一定差距。

例如，软体动物的吸盘并非单纯的附着器官，它们同时还承担着感知外界环境、参与神经行为调控等多种功能。

因此，岳天奇等人的下一步计划是开发更加智能化的机器人吸盘，让人造吸盘成为一个集附着、感知、控制、驱动于一体的智能化机器人组件。

在该团队目前正在进行的研究中，他们对章鱼吸盘内神经参与的多模态感知和自适应控制非常感兴趣。

其发现，简单的多层神经网络结合人造吸盘的某些物理特征，能够以极低的计算量、极简化的系统结构，复制章鱼吸盘的智能感知与控制能力。

这样一来，就能让一个简单的人造吸盘，成为融合附着、多模态感知、自适应控制与驱动的多功能机器人组件。“关于此，还请关注我们的后续工作进展。”岳天奇表示。

参考资料：

1.Yue, T., Si, W., Keller, A., Yang, C., Bloomfield-Gadêlha, H. & Rossiter, J. Bioinspired multiscale adaptive suction on complex dry surfaces enhanced by regulated water secretion. Proceedings of the National Academy of Sciences, 121(16): e2314359121, (2024).

https://doi.org/10.1073/pnas.2314359121

2.Yue, T., Bloomfield-Gadêlha, H. & Rossiter, J. Snail-inspired water-enhanced soft sliding suction for climbing robots.Nat Commun 15, 4038 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48293-2

排版：初嘉实