
螳螂虾是当之无愧的最快的拳击手,它们捕食时可以用像锤子一样的附肢杂碎蜗牛壳。
与质量小而速度快的物体比较时,机器人与跳跃最快的昆虫以及其他小巧而强大的生物相比差多了。
新的研究可以帮助解释为什么机器人比不过自然界的生物,并给出了机器如何反败为胜的办法。
以粉碎能力著称的螳螂虾,是一种拇指般大小的小型甲壳类动物,它的锤状口器可以反复爆发出每小时69英里的冲击力,其速度比眨眼速度快100倍,能够轻易击碎坚硬的蜗牛壳。
再看看那不起眼的诱捕颚蚁:在“0至60mph”的直线加速比赛中,即使是最快的对手也无法在其下颚的快速咬合下幸免,在捕捉猎物时,它的下颚能够在不到一毫秒的时间内加速到每小时140英里以上。
地球上拥有最快加速度之一的是水螅的刺。这些柔软的水生生物通过沿着触须的膜状物保护自己。这些膜状物就像加压气球一样,当被触发时,它们会发射一连串微型毒矛,其加速度比子弹快一百倍。
研究人员在4月27日出版的《科学》(Science)期刊上描述了一种新的数学模型,可以帮助解释上述生物和其他微小生物如何产生强大的攻击力、咬合力、跳跃力和冲击力。该模型还可以帮助我们接收来自自然界的启发,设计出仿生小型机器人,使它们在力量或速度方面接近其对应生物。
杜克大学(Duke University)生物学副教授Sheila Patek说,这些生物体爆发力的秘密并不是强大的肌肉,而是类似于加载弹簧的结构,它们可以像弓箭手的弓一样蓄力并释放。
坚韧而灵活的肌腱,角质层和其他弹性结构像弹弓一样伸展和释放,为跳跃和瞬间移动提供动力。
例如,一种称为沫蝉(froghopper)的短腿昆虫具有称为胸膜弓(pleural arch)的弓状结构,能够起到像弹簧一样的作用。它们腿上的闩锁状突起控制着胸膜弓的释放,尽管它们的腿很短,但跳跃距离超过身体长度的100倍。如果人类拥有如此强大的力量,就能够一跃跳过两个足球场的距离。
然而,目前还不清楚这些机制如何协同工作,从而获得如此强大的力量,阿默斯特大学(University of Massachusetts Amherst)博士后Mark Ilton坦言。
虽然传统的性能数学模型考虑到肌肉固有的物理折衷特性——它们可以强有力地或快速地收缩,但不能同时迅速而有力地收缩——不过这些模型都未能考虑弹簧和闩锁机制固有的折衷特性。换句话说,没有什么可以在同一时刻更快,更强大,更有力。
“直到现在,这些组件的大部分原理都尚不明确”,Patek说。
研究人员开发了一种小尺度快速运动的数学模型,该模型包含了弹簧和闩锁结构的约束特征。
“我们的目标之一就是尝试开发一种同时适用于生物或工程系统的模型”,加州大学欧文分校(University of California, Irvine)研究跳跃青蛙的生态学和进化生物学助理教授Manny Azizi说。
首先,他们整理汇总了104种高级植物和动物运动能手的尺寸大小、最高速度和加速度数据。他们将这些数据与微型机器人的类似测量结果进行了比较,这些微型机器人灵感来源于舌头伸缩自如的变色龙、叶片能够迅速合拢的捕蝇草,以及其他跳跃型昆虫。
通过将弹簧与闩锁结构的生物性能权衡特性相结合,研究人员希望更好地了解弹簧质量、刚度、材料成分和闩锁几何形状等变量如何与肌肉或电动机一起影响功率。
研究人员可向该模型输入一组弹簧、闩锁和肌肉或运动参数,并获取有关个体理论最大速度、加速度以及给定重量下其他性能方面的详细信息。
该模型对工程师来说意义非凡。它表明机器人的部分结构还不能像跳蚤一样有很强的弹性功能,因为这种快速、可重复的动作需要部件间精确无比地相互微调。
幸运的是,该模型为研究人员提供了一种工具,用于设计小型、快速移动的机器人,它们具有更精确匹配的部件,可以更好地协同工作以提高性能,马里兰大学(University of Maryland)机械工程副教授Sarah Bergbreiter说道,他设计出的跳跃式机器人尺寸与蚂蚁一般大。
“例如,如果你想要设计一个特定尺寸的机器人,应该用什么样的弹簧、什么样的马达、什么样的闩锁,才能在特定的尺寸条件下,达到最佳的性能,并了解这些设计选择的后果,”Bergbreiter说。
翻译:温尔雅
审稿:林然