無孔不入的蟑螂令人頭疼,不過它們適應狹窄縫隙的能力卻能幫助人們設計新型的搜救機器人。

※本文含有大量蟑螂動圖,你可能需要做好心理準備。

最近,加州大學柏克萊分校的科學家們研製出了一種新的機器人,牠很適合鑽過狹窄的縫隙,這在地震等災難的搜救工作中可以發揮作用。不過,看到牠滿地爬的樣子,估計還是會有不少人感到不舒服——這個新型機器人長得活像是一隻奇怪的大蟲子。

蟑螂機器人
圖片來自:PolyPEDAL Lab

而要說到這機器人的設計靈感來源,估計就更讓人反胃了——沒錯,就是上面圖中的蟑螂。為了製造出伸縮自如的機器人結構,研究者們可是認真地對蟑螂進行了好一番觀察試驗。在實驗室裡擺弄蟑螂是有些噁心,不過令人生厭的蟑螂可是自然界的鑽縫大師,牠們靈活適應環境的外骨骼其實很有借鑒價值。

無孔不入:蟑螂是怎麼鑽縫的?

生活中,蟑螂的「無孔不入」令人十分頭痛,不過,牠們這種適應狹窄縫隙的能力則引來了科學家們的研究興趣。如果能藉鑑牠們的身體結構和運動方式,機器人們也可以變得更加適應狹窄崎嶇的地形。蟑螂身披硬質的外骨骼,但卻能迅速調整身體,連遠低於自己身體高度的窄縫也鑽得過,牠們究竟是怎麼做到的?

這一次,研究者們就對蟑螂的鑽縫能力進行了定量分析,他們還架起高速攝影機,記錄下了那些肉眼難以分辨的快速「分解動作」。研究者選擇了美洲蟑螂作為實驗對象,並給牠們設置了一系列不同難度的「狹縫逃生」挑戰。結果發現,蟑螂們的表現的確驚人,即使當縫隙高度只剩下3公釐時(這僅相當於蟑螂身體高度的1/4),蟑螂依然能夠順利完成挑戰。而且,整個鑽縫過程只需要幾百毫秒時間。

蟑螂鑽縫
蟑螂鑽過3公釐窄縫,10倍慢速播放
變化圖
分解動作及示意圖。圖片來自原論文

高速攝影機記錄下了蟑螂鑽過縫隙的一系列步驟:牠們首先用觸角試探出口,將兩個觸角都伸出縫隙,接下來,牠們將身體斜向下,讓頭部和前肢衝出縫隙,再掙扎著拖動身體通過。蟑螂身上交疊的外骨骼體現出了極好的靈活性,不僅是一道窄縫,牠們在連續的狹窄空間中依然表現良好。隨著縫隙越來越窄,蟑螂們的身體壓縮程度越來越高,腿部也逐漸攤平,但牠們的腳到身體中線的距離卻基本保持不變,這使得肢體能夠最大限度地提供前進的推力。

蟑螂跑步
蟑螂在4公釐高的狹窄空間中前進。雖然活動受阻,但牠們依然能夠順利通過。

為了分析蟑螂身體的壓縮潛力,研究者們還人為地「壓扁」蟑螂,測量了牠們所能承受的壓縮極限。結果發現,當承受著自身體重300倍的壓縮力時,蟑螂依然可以在狹窄的縫隙中移動;而當受力提高至體重的將近900倍時,看似「壓成餅」的蟑螂其實還沒有受傷。

蟑螂壓縮
要擠扁了!其實這隻蟑螂並沒有受傷。

適應狹窄:自動變形的蟑螂機器人

在分析了蟑螂的鑽縫技能之後,研究者們建立起了「窄縫爬行」的物理模型,並以此為基礎設計出了蟑螂機器人的雛形。這個機器人無論是外殼還是內部的「腿」結構都能在受壓時自動變形,在壓力解除時也會很快自動恢復。

壓縮機器人殼

蟑螂有壓縮空間
不怕擠壓的外殼和內部結構

目前,蟑螂機器人已經可以順利通過不到自己身高一半的狹窄空間,這也使得牠們擁有了鑽進廢墟瓦礫搜救生還者的潛能。

蟑螂機器人殼狀

蟑螂機器人移動
在被壓縮50%之後,機器人依然可以順利前進。

目前的原型機看起來還不甚完美,不過在不久的將來,這些伸縮自如的「機器蟑螂」或許就會真正成為拯救生命的救兵了呢。

文中動圖素材均來自原論文。

參考資料:

  1. Cockroaches traverse crevices, crawl rapidly in confined spaces, and inspire a soft, legged robot ( PNAS )
  2. http://www.popsci.com/roach-inspired-robot-crawls-even-when-squished?src=SOC&dom=tw

撰文:芸香

編輯:窗敲雨

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