2022年5月19日，國際知名期刊《科學·機器人》（Science Robotics）雜志報道了北航機械工程及自動化學院文力教授課題組在跨介質(zhì)吸附仿生機器人領域取得的新進展：“Aerial-aquatic robots capable of crossing the air-water boundary and hitchhiking on surfaces”。
機器人在高度非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的應用，比如進行多地形觀測、多介質(zhì)作業(yè)、多環(huán)境探查等，對機器人快速跨介質(zhì)運動（擴大工作范圍）和高效暫棲（延長工作時間）的能力有著廣泛的潛在需求。相比于傳統(tǒng)的飛行機器人，跨介質(zhì)仿生吸附機器人可長時間工作，并同時覆蓋水下和空中的運動范圍，這在探索基礎科學問題，研制具有潛在用途的高性能跨域航行器方面具有重要意義。機器人實現(xiàn)水下和空中吸附主要面臨兩大挑戰(zhàn)：1）需要強力、可逆、自適應性強的吸附裝置，該裝置可以同時在水下和空中發(fā)揮作用，使機器人可以在各種表面上高效吸/脫附，并可以產(chǎn)生足夠的切向力來抵抗高速來流的沖擊；2）需要可以快速、連續(xù)、穩(wěn)定跨越水/空界面的無纜機器人，用于搭載吸附裝置和工作設備。
通過實驗室條件下對生物?魚吸盤的觀察，課題組發(fā)現(xiàn)，?魚只依靠吸盤的一部分即可吸附在帶孔的表面上。課題組利用生物觀測手段揭示了?魚吸盤吸附復雜表面、實現(xiàn)長時間吸附的新機理——鰭片獨立腔體、靜水壓增強的冗余吸附機理（圖1）。通過多個仿生對照組研究發(fā)現(xiàn)，吸盤內(nèi)部對稱排列的鰭片之間可以形成獨立的密閉腔體，進行局部吸附；而外部柔軟的唇圈也可以形成整體的吸附，實現(xiàn)冗余吸附。當靜水壓增強驅(qū)動鰭片主動旋轉(zhuǎn)時，鰭片頂端的大量微刺結(jié)構(gòu)可以和吸附表面互鎖，增強摩擦力來克服剪切力，但微刺結(jié)構(gòu)不會破壞獨立鰭片腔體的吸附。傳統(tǒng)吸盤裝置對泄漏和外部沖擊很敏感，而?魚吸盤在水下和空中的冗余和適應性吸附，將摩擦力和吸附時間分別提升了44%和458%。該新機理的揭示對實現(xiàn)仿生機器人在各種表面上長時間“搭便車”具有重要意義。
圖1. ?魚吸盤的形態(tài)學特征、仿生結(jié)構(gòu)及冗余吸附機理：（A）海豚躍出水面試圖甩脫?魚時，?魚依然可以緊緊地附著在海豚表面（圖片來源：Maxence Atzori）；（B）?魚可以依靠局部吸盤吸附附著在水族箱側(cè)面的多孔表面上；（C）?魚吸盤附著在空中透明玻璃上的FTIR圖像（背側(cè)視圖），綠色熒光區(qū)域表示吸盤與玻璃基板接觸的位置; 鰭片間暗黑色區(qū)域表示吸盤的獨立腔體，它們與表面沒有接觸；（D）仿生?魚吸盤樣機的CAD模型（長度：87 mm，寬度：46 mm）；（E）FTIR圖像顯示具有不同鰭片數(shù)量的仿生吸盤和吸附表面的接觸情況；（F）?魚吸盤冗余吸附的三個階段。
為了解決水/空無縫跨越的挑戰(zhàn)，機器人需要在水和空氣之間進行穩(wěn)定、連續(xù)、快速的跨越，并可以在這兩種介質(zhì)中航行。水和空氣兩種介質(zhì)的巨大差異性，導致跨介質(zhì)特征成為研究的難點。課題組設計了一種簡單、低成本的可折疊螺旋槳，其在水下可以自適應折疊，在空中可以被動展開。該可折疊螺旋槳在兩種介質(zhì)中的不同形態(tài)使得螺旋槳在兩種介質(zhì)中的工作轉(zhuǎn)速區(qū)間減小，縮短了工作轉(zhuǎn)速的切換時間。相比于使用普通螺旋槳，機器人的跨越介質(zhì)時間縮短了61.1%，顯著提升了機器人跨越水/空界面的速度。在此基礎上，結(jié)合仿生?魚吸盤和高機動的四旋翼無人機，課題組研制了一款能夠跨水/空吸附、無纜的仿生機器人（圖2）。其利用自適應變形的折疊槳葉可以在水/空介質(zhì)之間實現(xiàn)穩(wěn)定、連續(xù)、快速跨越切換（0.35 s），連續(xù)跨介質(zhì)出入水單次循環(huán)時間為2.9 s；利用冗余吸附的仿生?魚吸盤能夠高效吸附復雜表面（彎曲、粗糙、不完整、生物污染表面等）并保持長時間吸附，實現(xiàn)“搭便車”（Hitchhiking）。
圖2. 水/空搭便車機器人跨介質(zhì)性能及其野外應用：（A）機器人俯視圖及其自折展螺旋槳在跨越水/空過程中的變化：水下折疊狀態(tài)，水/空界面逐漸展開，空氣中完全展開；（B）機器人在實驗室水箱中從水下跨越到空中的高速相機時序圖像；（C）機器人附著在運動“宿主”（遙控無人潛水器）的底部，機載相機觀測海底生物；（D）機器人在海灘中飛躍出波浪水面；（E）機器人吸附在濕滑的、水流沖擊的巖石表面。
水/空搭便車機器人能抵抗較大的外部法向和切向力，使機器人能夠“暫棲”在靜止表面或“搭便車”到運動的物體上，從而延長工作時間、擴大工作范圍。與空中保持懸停狀態(tài)相比，仿生機器人的搭便車狀態(tài)的能量消耗減小了約50倍；與水下的游動相比，搭便車的能量消耗減小了約19倍。在野外環(huán)境中，該機器人可以在海洋和峽谷溪流中跨越介質(zhì)，并且可以分別吸附在運動的船底和濕滑的巖石表面，進行穩(wěn)定的觀測任務（圖2）。此外，該機器人在特定的開放環(huán)境中具有潛在的應用前景，包括長期的水下和空中觀測、跨介質(zhì)抓取、水下結(jié)構(gòu)檢查、海洋生物調(diào)查、冰山環(huán)境檢測等（圖3）。跨介質(zhì)仿生吸附機器人擴展了飛行機器人的作業(yè)范圍和任務時間，并為未來的高性能跨介質(zhì)無人系統(tǒng)提供了新的思路。
圖3. 水/空搭便車機器人及其任務概況：機器人能夠在水下和空中跨越，并牢固地附著在各種表面上，使其能夠在自然環(huán)境中執(zhí)行長期任務。圖片作者：莫硯如（北航國際通用工程學院2018級本科生）
在本研究中，北航機械工程及自動化學院2018級博士研究生李磊為第一作者，王思奇、張以遠、宋善源為共同第一作者，文力教授為論文唯一通訊作者；北京航空航天大學為第一/通訊單位，英國帝國理工學院為合作單位。此研究得到國家自然科學基金創(chuàng)新群體項目“機器人仿生基礎理論與關鍵技術(shù)”、科技部重大研發(fā)計劃“智能機器人”專項等項目的資助。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abm6695
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