@ 2015.07.07 , 11:45

机器人设计新灵感,配备“海马尾巴”

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动物的尾巴一般都是圆柱体的,海马的尾巴乍看也像是圆柱,但其实它是又方方正正的小棱柱组成。这个结构给它适应环境的优势,也给人类的机械性能设计带来灵感。

美国克莱姆森大学(Clemson University)机械工程师Michael Porter不仅发现了海马尾巴的特殊结构,还研究了为什么海马的尾巴会这样,最后发现这样的尾巴能更方便它们抓取食物并且起着护甲的作用。

Porter的这一观察能让工程师设计出能抓取、缠绕及承受更多机械应力的机器人。从猴子、啮齿类动物,到蝾螈、蛇和蜥蜴圆柱形尾巴已经在动物进化史上留下了深深的印记。但是海马这个长得不像鱼,游泳技巧也没有鱼娴熟的鱼类,连尾巴都搞个性。海马的尾巴是由36个奇怪的方形板状骨头组成,再由厚厚的结缔组织连接到它的脊椎,随着尾巴变长而逐渐变小。

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Porter的研究组正在研究如何在生物模板上设计新结构,他们花了几年时间研究海马的尾巴特殊的几何结构。当他还是个博士生的时候就研究过海马的骨头,发现里面只有40%矿物,其他大部分都是蛋白质和有机物。而在对骨头进行载荷测试时,他发现承重的位置集中在连接骨片和尾巴肌肉的缔结组织上,如此脊椎骨就更不容易受伤。

为了了解到海马尾巴构造上更多的物理学应用,Porter的团队3D打印了一个尾巴骨模型,造型跟上面给的图片差不多。他们还打印了一条由圆环叠起来的尾巴,以及别的没有分段的圆柱形、棱柱形尾巴。每条尾巴都进行过一系列测试比较各自的强度和灵活性。

海马的尾巴最主要的作用是抓海草和珊瑚,用来当支架停在原地的尾巴需要有支点还必须可以弯曲,以免无法承受自己身体重量脊椎受伤。研究员们在拧各种不同的尾巴模型时发现,方形分段的尾巴会比圆形分段的尾巴更快恢复原状,也更不费劲。而且在缠绕物体时,方形分段组合成的尾巴更不容易互相干扰,整体关节的活动程度也比圆形的少一半。这些都意味着海马尾巴的造型能在面对机械应力时减少对脊椎的伤害。不仅如此,方形结构在抓取物体时也更稳,与物体表面的接触点更多。

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一条能承受住更多压力的尾巴也不那么容易被鸟喙啄断尾。而经测试,海马的尾巴强度也是最高的。它的每个接口都有自己的位置,当受到冲击力时外面的骨片会滑动错位缓解冲力,当冲力消失之后又会马上回归原位。

总而言之,海马的尾巴在抗形变和抗压测试中都比圆形结构好。

这一发现有助于发明更好、更新的机器。工程师们一直都想做既不容易形变弯曲,又有灵活性的机器人,这样的机械又好控制能完成的任务又多。虽然人的脑力有限,但是大自然会给予我们灵感。我们在动物身上学习了很多,这一次在海马尾巴上的惊喜发现将会给下一代更强大的机器人动力。

本文译自 Gizmodo,由译者 小笨 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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