因为可以给人类带来更多的探索,促进科学进步。大自然的仿生学,足够让人类学习很多年。
大自然与科技,看似是两个大相径庭的学科,实际上却有着千丝万缕的关联。1958年时,一名医学院毕业后在空军服役了20年的美国人斯蒂尔率先提出了将二者结合的理论,只不过当时还并未将其命名为仿生学,而是意图通过研究生物系统和生物体,来找到解决工程问题的方法。直至1960年9月,才被正式命名为仿生学。
据外媒报道,目前中国这个水母仿生学成就让世界震惊。虽然水母可能不是海洋中游得最快的动物,但它们确实以“节能”的方式游泳 。中国科学家通过复制这一点创造了一种水母机器人,有朝一日将可以自主探索海洋深处。
真正的水母通过“喷气推进”游动,扩展和收缩它们的钟形体以将水推向它们后面。虽然我们之前已经看到模拟这种技术的水下机器人,但大多数都必须连接到位于表面的电源或控制系统。中国科学院的研究人员决定解决这个问题,设计一种自由游泳的水母机器人。
该模型以大型海月水母(Aurelia aurita)为模型,其具有钟形刚性头部和下方的圆柱形水母体。后者覆盖在呈伞状的膜中,并包含四个独立的“六杆连杆机构”。
通过弯曲和拉直这些“机构”来实现向前运动,导致身体在伸展和收缩时将水推出。 另外,通过移动位于其体腔中的两个“砝码”,机器人能够在垂直和水平方向上转向。科学家们现在正在开发基于强化学习的软件,这将使设备能够了解哪些运动会导致方向的变化。在各种车载传感器的帮助下,机器人可以沿着给定的路线穿过水面,同时避开障碍物,无需任何人为控制。它甚至可以携带小型有效载荷,例如环境传感器等。
然而仿生学的由来或许还可以追溯至更早,相传在大禹时期,人们通过观察鱼类在水中的活动,发现鱼尾的摇摆能够控制鱼身的前行与转弯,因此也就出现了船尾上架置的木桨。
正如玛特·富尼耶《当自然赋予科技灵感》一书所提到的——我们面对的许多问题,或许在千百万年前就被自然生物遇到了,经过漫长的进化,它们形成了绝妙的解决之道。
玛特·富尼耶所说的解决之道,正是仿生学的核心课题,人们不断通过仿照和模拟生物特性,来创造出对人类发展起到贡献的技术。
尤其在仿生学这一概念被提出后,这一门学科彻底被“引燃”,据2006年仿生学专家理查德·邦瑟的一项研究报告显示,从1985-2005年之间,全球范围内非仿生的专利设计只攀升了2.7倍,而仿生学专利则增长了93倍之多。
现如今,仿生学这门独立的学科,早已应用在各个领域当中。如代表性的光场相机(又名:蝇眼照相机),灵感便来源于苍蝇的复眼,科学家通过仿效复眼小眼的蜂窝型结构,制成了用于科研的蝇眼照相机,一次能够拍摄千余张照片,飞机地速指示器、航空照相机均是运用了这一原理。
再比如我们现今常接触到的电子水墨屏,灵感便来源于蝴蝶。事实上,许多蝴蝶和一些鸟类羽毛(孔雀),翅膀上所展现的鲜艳色彩来源于化学的与物理色,化学的是自身生理代谢产生的色素颗粒,而物理色则是通过表面的棱柱状晶体结构所呈现出的。这些光被分成各种颜色的光带并反射到观察者的眼睛,与彩虹的原理大致相同。
高通的Mirasol显示技术正是复制了这个原理,模拟蝴蝶拍打翅膀时产生的鲜明色彩,以此实现高反射性,创造出一种“永远在线”的视觉效果。当然,此类发明可谓数不胜数,如鲁班观察叶子边缘发明的锯、以啄木鸟头部为原型研发的安全帽、蝙蝠原理的雷达、青蛙眼原理的电子眼、以及贝尔实验室根据海绵结构发明出更强韧的光纤电缆等。比比皆是的案例,仿佛在告诉我们——自然,便是最好的老师。
基本上来说,如上述所提到的仿生机器人并非个例,只不过此前仿生学大多用于军工、科研与工业领域,消费领域的运用相对较少。而当下我们也能感受到,越来越的军工科技正逐步被民用,因此消费级机器人与仿生学的交融似乎也不再遥不可及。
为何这么说,如果说仿生学短期只是作为一个“新鲜玩意”所备受瞩目的话,那么长期的未来,相信机器人显然也要在生活中承担起更多元化的任务。
“水母”机器人是由德国费斯托公司所研制生产。它长有触角水母机器人,体内充满了氦气水母机器人,在空中飘浮时就好像水中浮动的水母一样。“空中水母”的灵活性与便捷性体现了人工智能方面的研究成果,将在海底勘探和航空航天等领域有着光明的应用前景、
机器水母的球形身体是个用激光烧结制成的密封舱。它长着8根触须,这些仿生触须的构造取材于对鱼鳍功能的剖析。每根触须包含软硬适度的“主心骨”,骨外面连着柔性的表面,表面分成两个腔,压力可以分别调整,使整个触须向某个方向弯曲。每根触须的顶端都有小鳍。受触须带动,小鳍像鱼尾那样划水,推动水母机器人前进。
要做到在水中自如游荡并不容易,水中机器人配备了一系列的传感器、功能颇强的通讯系统,还有基于机器人群体智能的控制软件。压力传感器告诉水母当前所处的深度,精确到几毫米;光感应器向它报告潜在障碍的大致位置,包括周围其他机器人水母在哪里。
美国弗吉尼亚理工大学工程师约纳斯-塔德塞等人在美国海军研究所的赞助和支持下,发明了一种氢气动力水母机器人--“机械水母”,这种神奇的机器人在水中可以像真正的水母一样游动。
塔德塞等人的研究成果发表于《智能材料与结构》杂志之上。塔德塞介绍说,水母游动的动作简单有效,因此这可以作为水下机器人的理想模型。此外,机械水母以氢作为燃料,从理论上讲,它的能量将取之不尽用之不竭。塔德塞表示,“据我们所知,这是第一个采用外部氢气作为燃料来源的水下机器人。” 水母是利用其伞状体内部的环肌进行移动的。当它们收缩时,伞膜将水母的身体关闭于其中,并排出水流,从而推动身体向前移动。当肌肉放松时,伞膜又会恢复原来的形状。为了模拟水母的运动机制,机器人必须要使用有形状记忆能力的合金,也就是说所使用的材料能够记住原始形状。然后,再将这些材料包装于碳纳米管中,并涂上一层铂黑粉。
机械水母的动力来自于水中的氧和氢以及表面的铂之间的化学反应所产生的热量。化学反应产生的热量传递到机械水母的人造“肌肉”上,使其达到伸缩变形的目的。这就意味着机械水母可以从其周围的水中获得再生燃料,而不是仅仅依靠有限的电池能量。研究团队认为,机械水母的能量应该取之不尽用之不竭。 至今机械水母仍处于研发早期阶段,但研究人员表示这种机器人最终将可应用于水下营救作业。这个机械水母可以同时伸缩8节身体。研究人员正在考虑如何改进,以更方便的方式单独控制每一节身体。如果能够找到解决方案,那么改进版的机械水母活动将更加灵活。
这项研究由美国海军研究所提供赞助和支持。他们希望这项发明将能够应用于美国海军和海军陆战队中。