仿生機器人技術(shù)及航天應(yīng)用

10月6日晚，中山大學(xué)航空航天學(xué)院的吳嘉寧副教授為同學(xué)們帶來了一場開拓視野的科普講座。講座中，身為“中大百人計劃”吳嘉寧副教授向同學(xué)們介紹了仿生機器人這一前沿領(lǐng)域的相關(guān)知識。

何為機器人？何為仿生機器人？

想要了解仿生機器人，需要先了解什么是機器人。機器人在生活中并不陌生，甚至可以說無處不在。所謂機器，便是器，是幫助人們實現(xiàn)工作目標(biāo)的一種工具，機器人也亦是如此。機器人同作為機器，是一種機械智能一體化機械系統(tǒng)，接受人的控制，自主或半自主完成實現(xiàn)工作。

作為機器人的拓展，仿生機器人相比于傳統(tǒng)機器人，會更好地實現(xiàn)工作目標(biāo)。吳嘉寧副教授認(rèn)為，在漫長的自然進化中，自然中生物的某些機能已經(jīng)趨向完美。如果人類能學(xué)習(xí)它們的運作原理，在生產(chǎn)活動中，人們或許能省下大量成本，同時提高工效，實現(xiàn)更多的特種工作。

仿生機器人作為交叉學(xué)科，發(fā)展前景廣闊，貼近時代前沿，會成為時代發(fā)展的熱門。

航天工程為什么需要仿生機器人？

航天工程是我國重點科研工程之一，其安全性和成果性需要得到可靠保障。安全是航天工程發(fā)展的大前提，仿生機器人則為航天工程打下了牢靠的基石。作為機器人，相比起載人工程，安全成本大大降低；同時，仿造生物生活習(xí)性，能極大幫助航天探索時所需的探索任務(wù)，非常有利于航天探索。作為航天工程的重要一環(huán)，仿生機器人未來還將在更多的領(lǐng)域幫助航天工程進一步發(fā)展。

▲吳嘉寧副教授介紹航天工程發(fā)展規(guī)劃

如何設(shè)計一款仿生機器人？

仿生機器人的誕生主要分為三部分：學(xué)習(xí)動物、制作算法、生產(chǎn)制造。既然是仿生，那么就需要進入到生物中去。在學(xué)習(xí)動物的過程中，一般采用研究觀察、先死后活的思路進行。先對動物尸體進行解剖，掌握其內(nèi)部肌肉組織的組成；再對動物進行活體實驗，觀察動物在活動過程中的活動情況，推演和整理得出算法。

仿生機器人在航空航天工程中有什么運用？

講座中，吳嘉寧副教授向同學(xué)們展示了他們實驗室在仿生機器人上的部分成果，其中包含學(xué)習(xí)鐮蟻切割拾取的仿生機械模型，該種機器人可以在深空探索時對樣品進行切割與采集。除此之外，吳嘉寧副教授還展示了工蜂吸取花蜜的舌頭，其高頻率的抽動對黏稠高濃度液體的輸送有著極好的適應(yīng)性，能夠提高航天器在空間灌溉和流體散熱方面的能力。還有學(xué)習(xí)水母制作出的高壽命且能軟接觸的夾爪、學(xué)習(xí)象鼻能夠彎曲且輕柔拾取物品的柔性拾取器等。這些仿生機器人們都將在未來航天工程中起到不可替代的作用。

▲吳嘉寧副教授介紹學(xué)習(xí)鐮蟻制造的模型

對未來的期望

在講座的最后，吳嘉寧副教授對同學(xué)們提出了努力報國的期望。吳嘉寧副教授認(rèn)為，我們是最接近航空報國的一代，距離我國的航天事業(yè)發(fā)展是如此之近。吳嘉寧副教授希望同學(xué)們能腳踏實地，切實基礎(chǔ)，切實努力，投身科研，在祖國未來的航天事業(yè)發(fā)展上做出屬于自己的貢獻。

在講座結(jié)束之后，吳嘉寧副教授與在場的同學(xué)們發(fā)起了提問互動：

Q

吳老師您好！我想請教您一些關(guān)于仿生機器人最優(yōu)解的問題。仿生機器人所模仿的架構(gòu)一定是最優(yōu)解嗎？會不會有更好的解決方案？就像您提到的大象組織比率，6:1:3的比率一定是效能最高最軟的最優(yōu)解嗎？它有沒有可能是大象打架用力的最優(yōu)解呢？

吳老師

答案是不一定的。隨著自然界長久以來的選擇，象鼻的功能得到了進化，經(jīng)過這么長的時間跨度以后，象鼻變成了我們現(xiàn)在所見到的模樣。大象的象鼻在拾取物品方面確實存在著更好的解決方法，但不一定會是最優(yōu)解。就像你提到的，大象象鼻的肌肉組織也可能是更傾向于打斗的，我們在研究大象時也發(fā)現(xiàn)了大象象鼻身上的體毛非常鋒利和尖銳，如同一把鋒利的匕首。象鼻一甩，甚至能打死獅子這些強壯的動物，這也確實說明象鼻的肌肉組織在打斗方面有著傾向。我們現(xiàn)階段確實無法確定我們研究出的6:1:3這個比率是最適合我們產(chǎn)品的比率，我們的研究還不夠深入，未來我們也會繼續(xù)深入進行研究，不斷完善我們的產(chǎn)品。

▲同學(xué)提問

Q

吳老師您好！剛才您在講座中提到了您學(xué)習(xí)研究鐮蟻的前部分組織，請問這種習(xí)性是所有鐮蟻都存在的嗎？這種類似圓弧軌道的夾取的原理是什么？相比起水平夾取，這種夾取方式有什么特點？

吳老師

謝謝同學(xué)的提問，我們所研究出這種圓弧軌道夾取的結(jié)構(gòu)并不是所有鐮蟻都具有的，如你所說，世界上許多其他種類的鐮蟻的夾取方式也是水平平動。這種圓弧軌道一般的夾取方式，增大了夾取物與機械臂的接觸面積，減少了物品收到的應(yīng)力，避免夾取物因受力過大而損壞。不只是鐮蟻中存在著這種差異，蜜蜂中也存在。像我們熟知的工蜂舞，這種舞蹈會告訴蜂群蜜源的距離和方向，能提高蜜蜂們的工作效率。但不是所有地區(qū)的蜜蜂都會跳舞，就像馬來西亞蜂，它們中就有的不會跳舞，這是自然界中存在的差異。研究仿生這一塊，確實存在同種生物中習(xí)性和結(jié)構(gòu)不同的情況，這時候需要努力鉆研，排除阻礙，不然很難收獲自己想要的結(jié)果。