壓愈扁跑愈快!美國柏克萊大學為蟑螂機器人打造仿生彈性「外骨骼」

 

美國加州大學柏克萊分校(UC Berkeley)的生物學團隊,近期從無孔不入的蟑螂身上堅韌又具彈性的「外骨骼」擷取靈感,研發出一款就算遭受強力擠壓,仍能毫髮無傷、敏捷穿越狹窄縫隙的仿生蟑螂機器人 CRAM,未來可望應用於災難現場搜救、管線內部偵測,甚至人體醫療手術上。

 

 

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師承柏克萊大學整合生物學(integrative biology)教授羅伯特.富爾(Robert Full)的博士後研究學人卡席克.賈亞朗(Kaushik Jayaram),在近期發表於美國國家科學院院刊(Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS)的論文中指出,一般蟑螂身上的外骨骼其實並不是一整片僵硬、易脆的外殼,而是由具延展性的軟膜所連結的多片硬殼層疊組成;這些軟膜能發揮類似「鉸鏈」的作用,將這些由幾丁質(chitin,又稱甲殼素)所構成、分成一節節的硬殼「串接」在一起,而每一片硬殼結構上的軟硬程度也有微妙的不同,讓這層外骨骼在有效保護柔軟軀體的同時,也保留了聚合與發散的彈性。

 

這精巧的構造,讓日常隨處可見的蟑螂能夠承受將近 900 倍於牠們體重的強大壓力下而毫無損傷,還能在承受 300 倍於本身體重的壓力下移動自如,擠過極其狹小的空間。經賈亞朗博士的實驗證明,正常狀態下,蟑螂的爬行速度每秒可達 60 公分,但即使當牠們被迫爬過約只有牠們「身高」三分之一的 4 公釐窄縫時,仍能有每秒 15 公分的驚人速度!值得注意的是,由於蟑螂受壓時腿部關節無法正常發揮行走功能,牠會改採一種名為腿式摩擦爬行(frictional legged crawling)的方式前進:就像游泳時在水面滑行一樣,蟑螂會藉由身邊兩側向旁八字撐開的腿往前滑動,控制具感知功能的小腿內側往地板推行。只要牠們上方的外殼足夠平滑、地板阻力不要太高,就能產生足夠的推力往前推進。

 

 

 

 

 

CRAM 是 compressible robot with articulated mechanisms 的縮寫,即「具鉸接式機構的可擠壓式機器人」。顧名思義,正如同它所模仿的原型蟑螂一樣,CRAM 機器人是由一系列富彈性、可變形的塑膠片「鉸接」組成具弧度的外殼;這層外殼跟真實蟑螂的外骨骼一樣,是與其機體構造緊密結合的一部份,因此加上外殼後只讓其原體積增加了 25%。這樣特殊的外骨骼結構設計,搭配上具有彈性的「背脊」和縱向配置的彎曲腿部,不僅讓 CRAM 得以向兩側攤平,腿部可以隨著向外攤的軀幹順勢旋轉高達 90 度之多,還能使它承受高達 1 公斤(約其本體重量的 20 倍)的壓力而毫髮無損。

 

CRAM 在正常情況下的體積為 18 公分長、7.5 公分高,重 46 公克,爬行秒速為 27 公分(亦即每秒可以移動約自體 1.5 倍身長的距離);當它受擠壓時,則能將身體壓扁至只剩下 3.5 公分厚,垂直壓縮比率超過 50%,卻仍可採取「腿式摩擦爬行」法,達到每秒 14 公分的高速!

 

 

 

 

 

像 CRAM 這樣的仿生機器人,究竟可以應用在哪些方面呢?主持柏克萊大學「多足動物運動行為研究室(Poly-PEDAL lab)」過去 14 年來著力研究蟑螂行為與運動方式的羅伯特.富爾教授表示,未來像是地震、海嘯與爆炸等嚴重災難現場,就可以把一群蟑螂機器人扔進崩塌的建築體、水泥塊裡,讓它們先行尋找生還者與附近可能的安全出入通道,提供現場救難人員規劃參考,以提高搜救效率、減少生命損失。

 

卡席克.賈亞朗博士也表示,他未來的研究目標是將 CRAM 機器人的體積進一步縮小,並將其改造成全自動化。全自動、縮小版本的 CRAM 機器人,除了可以在前述搜救(search and rescue)場景小兵立大功之外,還能用來檢測都市中無所不在的狹窄煙囪、管道間,甚至用於人體腸道的檢測,幫助外科醫生在手術前置作業、手術過程中瞭解臟器內部的狀況。

 

 

 

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過往實驗已證明,當機器人需要快速通過狹窄空間時,「多足機器人」最占優勢。因此,富爾教授同時也指出:他認為蟑螂最適合作為近年來漸受重視的研發趨勢「軟機器人學(soft robotics)」的生物範本,也是自然界最具適應性的動物結構。「目前大多機器人學家都以蠕蟲、蛞蝓等無脊椎動物,作為軟機器人的仿生原型,但我們認為,『仿生蟑螂』應該會是這個研究領域的最終解決之道;畢竟,蟑螂就跟人類一樣具有從軀體延伸的靈活肢幹,以及可以產生大量動能的肌肉,這使牠的移動可能大幅增加。」

 

擁有堅韌外骨骼保護柔軟身軀的仿生蟑螂機器人,既具備傳統硬式機器人的行動速度與爆發力,也有軟機器人的彈性、韌性與人體適用性,能夠兼具兩派之長,未來發展值得加倍關注。

 

 

 

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