章魚(yú)和蝸牛啟發(fā)科學(xué)家研發(fā)人造吸盤可用于機(jī)器人抓取與攀爬

附著，是生命體重要的能力之一，比如人類的抓握、章魚(yú)的吸附等。

真空吸附，是一種非常特殊的附著方式。相比于手的抓握，它不需要完全包覆物體，只需一小塊接觸面即可實(shí)現(xiàn)附著。同時(shí)，它的能耗極低、負(fù)載力極高。

因此，自然界中的許多生物進(jìn)化出了帶有吸盤的器官，這些器官常見(jiàn)于軟體動(dòng)物，如頭足綱（章魚(yú)）、腹足綱（蝸牛、海螺）以及一些寄生蟲(chóng)等。

憑借獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，人造真空吸盤也成為了人類社會(huì)中重要的工具，服務(wù)于日常生活和工業(yè)生產(chǎn)。

然而，當(dāng)前的人造真空吸盤仍然遠(yuǎn)不及章魚(yú)和蝸牛等擁有的生物吸盤。

首先，目前的人造吸盤極易在不規(guī)則表面產(chǎn)生泄漏。而章魚(yú)等生物的吸盤卻能牢牢地吸附在巖石、貝殼等不規(guī)則物體的表面。

其次，目前的人造吸盤僅能靜態(tài)附著在物體表面，而蝸牛卻可以邊滑行邊維持著極高的真空吸力。

因此，是否可以通過(guò)技術(shù)手段改進(jìn)人造真空吸盤，使其突破現(xiàn)有瓶頸，實(shí)現(xiàn)生物吸盤的特殊能力呢？

近年來(lái)，英國(guó)布里斯托大學(xué)岳天奇博士和所在團(tuán)隊(duì)，針對(duì)章魚(yú)和蝸牛的吸盤器官開(kāi)展了一系列研究。他們先后研發(fā)了對(duì)不規(guī)則表面具備極高適應(yīng)性的真空吸盤（下稱“適應(yīng)性吸盤”）和模擬蝸?；械幕瑒?dòng)吸盤（下稱“滑動(dòng)吸盤”）。

這些成果在機(jī)器人的末端操作和附著移動(dòng)方面有較大的應(yīng)用潛力。

具體來(lái)說(shuō)，課題組所開(kāi)發(fā)的適應(yīng)性吸盤，可以在無(wú)真空泵輔助的情況下抓取許多粗糙且表面崎嶇的物體（如巖石、木材等），這將極大提高機(jī)器人的通用性末端執(zhí)行能力。

相比于使用輔助真空泵的持續(xù)抽吸來(lái)彌補(bǔ)在不規(guī)則表面上的泄漏的傳統(tǒng)方案，他們的方案可以極大降低能耗、降低設(shè)備成本和減小噪音。

與此同時(shí)，他們開(kāi)發(fā)的滑動(dòng)吸盤則能提供一種全新的機(jī)器人附著移動(dòng)方式。

相比于以往的機(jī)器人附著方式（如磁吸、壁虎黏附、靜電吸附等），滑動(dòng)吸盤具有以下獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：

其一，負(fù)載能力強(qiáng)且附著力恒定，不存在足式攀爬機(jī)器人移動(dòng)時(shí)的附著力突變的問(wèn)題；

其二，能量利用率極高，所有負(fù)載力均由吸盤負(fù)壓被動(dòng)承擔(dān)，無(wú)需額外供能。

此前爬壁機(jī)器人方案能耗大，必須用電纜持續(xù)供能，這限制了機(jī)器人的活動(dòng)范圍與應(yīng)用場(chǎng)景。

而針對(duì)人力難以覆蓋的表面機(jī)器人巡檢維護(hù)，滑動(dòng)吸盤技術(shù)則能提供一種解決方案。

同時(shí)，滑動(dòng)吸盤的能耗極低，僅需攜帶電池包就可以長(zhǎng)時(shí)間工作，具備野外、大范圍、長(zhǎng)時(shí)間的遙控作業(yè)基礎(chǔ)。

滑動(dòng)吸盤所具備的高負(fù)載能力，還允許其搭載多種作業(yè)工具，實(shí)現(xiàn)表面巡檢時(shí)的在線作業(yè)。

其應(yīng)用場(chǎng)景覆蓋高樓外墻、大型化工和倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備外殼、風(fēng)機(jī)葉片、船舶殼體等。

據(jù)介紹，這一系列研究始于2019年。當(dāng)年，岳天奇加入布里斯托大學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室攻讀博士學(xué)位，導(dǎo)師是軟體機(jī)器人知名學(xué)者喬納森·羅斯特教授。

喬納森·羅斯特教授鼓勵(lì)學(xué)生自由選擇研究方向，因此岳天奇在博士一年級(jí)幾乎沒(méi)有進(jìn)行任何具體研究，而是對(duì)軟體機(jī)器人當(dāng)前的發(fā)展水平進(jìn)行了廣泛了解。

經(jīng)過(guò)一年的調(diào)研與嘗試，岳天奇對(duì)蝸牛這個(gè)平凡但不簡(jiǎn)單的軟體動(dòng)物產(chǎn)生了興趣，開(kāi)始嘗試將它強(qiáng)大的負(fù)載滑行能力復(fù)刻到機(jī)器人中。

很多人認(rèn)為蝸牛是利用黏液“黏”在物體表面的，但他意識(shí)到僅憑黏性很難實(shí)現(xiàn)如此強(qiáng)大的附著力。

他猜測(cè)，蝸牛與同屬腹足綱的鮑魚(yú)一樣會(huì)利用真空吸附。為了驗(yàn)證這個(gè)想法，他將蝸牛放置在不透氣的平面上，發(fā)現(xiàn)它們吸得很牢固。

當(dāng)他用針在平面上戳了幾個(gè)極小的透氣孔后（不影響粘力），蝸牛就可以很輕易地被取下。這說(shuō)明蝸牛在光滑平面上的附著力大部分來(lái)源于真空吸力。

他意識(shí)到，假如以此為靈感將為機(jī)器人提供一種全新的附著移動(dòng)方式。然而，在保持極高的真空密封性的同時(shí)，蝸牛如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)的滑行，這仍然是一個(gè)未解之謎。

盡管一些生物學(xué)文獻(xiàn)證實(shí)蝸牛的滑行是通過(guò)非牛頓流體性質(zhì)的粘液和產(chǎn)生傳遞波的肌肉的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)的，但是當(dāng)時(shí)岳天奇并沒(méi)有可行的機(jī)器人設(shè)計(jì)方案來(lái)模擬這種行為。因此，仿蝸?；瑒?dòng)吸盤的研究被暫時(shí)擱置。

他轉(zhuǎn)而對(duì)章魚(yú)吸盤開(kāi)展研究。當(dāng)時(shí)，學(xué)界認(rèn)為章魚(yú)吸盤對(duì)不規(guī)則表面的強(qiáng)大適應(yīng)性來(lái)源于其靈活的肌肉運(yùn)動(dòng)和柔軟的表皮對(duì)于物體形狀的貼合密封，然而，固體-固體間的密封總會(huì)殘留微小縫隙，而即便是微米級(jí)的微小縫隙，仍會(huì)導(dǎo)致整個(gè)吸盤的泄漏失效。

顯然，僅憑固體密封不足以實(shí)現(xiàn)類似章魚(yú)吸盤的強(qiáng)大適應(yīng)性。

一些學(xué)者意識(shí)到，液體密封提供了提高吸盤適應(yīng)性的另一條路，因?yàn)閹в形P器官的生物總是生活在液體環(huán)境中。

液體密封的原理是使用液體填充殘留的微縫隙，利用液體遠(yuǎn)高于氣體的黏度延緩泄漏速率，延長(zhǎng)吸附時(shí)間。

然而，過(guò)往研究并未對(duì)生物吸盤液體密封的原理進(jìn)行更加深入的研究。

通過(guò)閱讀相關(guān)生物學(xué)文獻(xiàn)，岳天奇發(fā)現(xiàn)黏液腺?gòu)V泛存在于生物吸盤中（包括吸盤魚(yú)、蝸牛、章魚(yú)等生物）。

而且吸盤黏液腺的分泌速度，被證明受到神經(jīng)的主動(dòng)支配調(diào)控。這說(shuō)明，生物吸盤的適應(yīng)性來(lái)源于其肌肉-表皮-黏液腺產(chǎn)生的固液耦合密封作用。

這一猜想令他豁然開(kāi)朗，并據(jù)此設(shè)計(jì)出了仿生適應(yīng)性吸盤。

后來(lái)，岳天奇所在團(tuán)隊(duì)與布里斯托大學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的司維永博士、楊辰光教授合作，完成了機(jī)械臂協(xié)同適應(yīng)性吸盤靈巧操作極度不規(guī)則物體的挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)。

最終，相關(guān)論文以《受調(diào)節(jié)水分泌增強(qiáng)用于復(fù)雜干燥表面的生物啟發(fā)多尺度自適應(yīng)吸盤》為題發(fā)表在《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》。

岳天奇是第一作者，喬納森·羅斯特教授擔(dān)任通訊作者。

在適應(yīng)性吸盤的設(shè)計(jì)中，他們使用親水性硅膠作為吸盤底面，以便讓水（模擬黏液）在微小縫隙中均勻地?cái)U(kuò)散。

其發(fā)現(xiàn)，水不僅可以大幅增強(qiáng)吸盤的適應(yīng)能力，還能大幅降低吸盤與表面間的摩擦力。

被水潤(rùn)濕的吸盤，可以在表面上近乎無(wú)摩擦地自由滑動(dòng)，同時(shí)仍能維持強(qiáng)大的真空吸力。這與蝸牛的吸附滑行行為幾乎一致。

該方案也讓之前擱置的仿蝸?；瑒?dòng)吸盤研究得以重啟。后續(xù)研究也非常順利，只需設(shè)計(jì)機(jī)器人的機(jī)電系統(tǒng)和控制算法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明其有效性即可。

經(jīng)過(guò)短暫的設(shè)計(jì)、制造和實(shí)驗(yàn)，岳天奇等人證明了滑動(dòng)吸盤機(jī)器人有著強(qiáng)大的負(fù)載能力（測(cè)試負(fù)載11倍自重，理論負(fù)載55倍自重）和極低的能耗（理論能耗比現(xiàn)有爬壁機(jī)器人方案降低90%以上）。

其間，為了讓岳天奇更好地觀察蝸牛的生理結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式，喬納森·羅斯特教授親自去草叢捕捉蝸牛?！八麑?duì)于科研的熱情和純粹給我留下了深刻的印象?！痹捞炱嬲f(shuō)。

最終，相關(guān)論文以《用于攀登機(jī)器人的蝸牛式水強(qiáng)化軟滑動(dòng)吸盤》為題發(fā)表在《自然通訊》。

岳天奇是第一作者，喬納森·羅斯特教授擔(dān)任通訊作者。

盡管課題組對(duì)于仿生真空吸附的原理已經(jīng)有了較為深刻的理解，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一些機(jī)器人應(yīng)用，但是現(xiàn)階段的人造吸盤仍然與生物吸盤有一定差距。

例如，軟體動(dòng)物的吸盤并非單純的附著器官，它們同時(shí)還承擔(dān)著感知外界環(huán)境、參與神經(jīng)行為調(diào)控等多種功能。

因此，岳天奇等人的下一步計(jì)劃是開(kāi)發(fā)更加智能化的機(jī)器人吸盤，讓人造吸盤成為一個(gè)集附著、感知、控制、驅(qū)動(dòng)于一體的智能化機(jī)器人組件。

在該團(tuán)隊(duì)目前正在進(jìn)行的研究中，他們對(duì)章魚(yú)吸盤內(nèi)神經(jīng)參與的多模態(tài)感知和自適應(yīng)控制非常感興趣。

其發(fā)現(xiàn)，簡(jiǎn)單的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合人造吸盤的某些物理特征，能夠以極低的計(jì)算量、極簡(jiǎn)化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，復(fù)制章魚(yú)吸盤的智能感知與控制能力。

這樣一來(lái)，就能讓一個(gè)簡(jiǎn)單的人造吸盤，成為融合附著、多模態(tài)感知、自適應(yīng)控制與驅(qū)動(dòng)的多功能機(jī)器人組件。“關(guān)于此，還請(qǐng)關(guān)注我們的后續(xù)工作進(jìn)展?！痹捞炱姹硎尽＃ňC合整理報(bào)道）（策劃/多洛米）