近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳校區(qū)前沿學(xué)部理學(xué)院教授仲政、梁旭東團(tuán)隊(duì)在仿果蠅幼蟲(chóng)的軟體翻滾機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)理領(lǐng)域取得新進(jìn)展。研究人員通過(guò)對(duì)果蠅幼蟲(chóng)翻滾運(yùn)動(dòng)時(shí)的肌肉活性進(jìn)行成像觀(guān)察與力學(xué)建模，揭示了動(dòng)物通過(guò)內(nèi)部肌肉依次軸向收縮舒張，即可產(chǎn)生翻滾力矩的原理，并將該原理應(yīng)用于軟體機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)自主翻滾，開(kāi)辟了新型滾動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)之路。該成果發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》，并被評(píng)為“編輯精選”。
輪子的發(fā)明被譽(yù)為人類(lèi)文明的里程碑，其核心在于將平動(dòng)轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)的力矩。傳統(tǒng)觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為，滾動(dòng)必須依賴(lài)外力或肢體與環(huán)境的反作用力，例如甲蟲(chóng)翻身時(shí)的蹬地動(dòng)作。然而，自然界中一些動(dòng)物卻展現(xiàn)了截然不同的智慧，它們通過(guò)改變身體內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自主滾動(dòng)，例如果蠅幼蟲(chóng)在遇到危險(xiǎn)時(shí)，能將身體彎曲成C形并持續(xù)滾動(dòng)逃離，這種“內(nèi)力驅(qū)動(dòng)”的機(jī)制尚未被完全的探索。針對(duì)此問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)果蠅幼蟲(chóng)翻滾運(yùn)動(dòng)時(shí)的肌肉活性進(jìn)行高時(shí)空分辨成像，首次探索了其內(nèi)部肌肉如何產(chǎn)生環(huán)向力矩，從而驅(qū)動(dòng)翻滾運(yùn)動(dòng)的機(jī)理。
研究人員發(fā)現(xiàn)，果蠅幼蟲(chóng)在翻滾過(guò)程中，身體表面肌肉群沿著身體長(zhǎng)軸方向，依次按時(shí)針順序進(jìn)行收縮–舒張運(yùn)動(dòng)。當(dāng)某一側(cè)肌肉收縮時(shí)，身體彎曲成C形；隨后相鄰肌肉接力收縮，推動(dòng)彎曲方向動(dòng)態(tài)變化，從而產(chǎn)生持續(xù)的滾動(dòng)力矩，這種機(jī)制類(lèi)似于“波浪式傳遞”，能夠在體內(nèi)產(chǎn)生環(huán)向驅(qū)動(dòng)力矩。
幼蟲(chóng)肌肉消融實(shí)驗(yàn)。研究團(tuán)隊(duì)供圖
基于此，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一套多尺度力學(xué)模型，將肌肉動(dòng)力學(xué)、流體靜力骨骼變形與接觸摩擦納入統(tǒng)一框架。模型顯示，幼蟲(chóng)體內(nèi)的流體內(nèi)壓維持了體壁剛度，使肌肉收縮能量高效轉(zhuǎn)化為形變。軸向肌肉按序激活時(shí)，體壁非對(duì)稱(chēng)應(yīng)力分布形成滾動(dòng)力矩，該模型證實(shí)了這種順序伸縮在無(wú)外力作用下即可產(chǎn)生環(huán)向力矩，成功預(yù)測(cè)了幼蟲(chóng)在平面、倒置表面甚至空中的滾動(dòng)行為。通過(guò)量化潤(rùn)滑條件下滾動(dòng)速度與摩擦力的動(dòng)態(tài)平衡，理論與實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)高度吻合。
基于上述生物和力學(xué)模型的啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制造了一款僅由模擬軸向肌肉組織構(gòu)成的軟體機(jī)器人，并通過(guò)實(shí)時(shí)控制這些“肌肉”依次縮放形變，成功演示了機(jī)器人自主翻滾運(yùn)動(dòng)。這一實(shí)現(xiàn)不僅驗(yàn)證了力學(xué)模型的準(zhǔn)確性，也展示了基于內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形驅(qū)動(dòng)的全新滾動(dòng)機(jī)構(gòu)的工程可行性。
該研究從原理上系統(tǒng)揭示了依靠?jī)?nèi)部肌肉序列伸縮即可產(chǎn)生翻滾力矩的機(jī)制，打破了外力依賴(lài)的慣性思維。同時(shí)通過(guò)軟體機(jī)器人驗(yàn)證，為設(shè)計(jì)新型可變形滾動(dòng)機(jī)構(gòu)提供了全新思路，未來(lái)有望在醫(yī)學(xué)機(jī)器人、野外探測(cè)和災(zāi)區(qū)救援等復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高效機(jī)動(dòng)。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.198401
本文鏈接：http://jphkf.cn/news-8-5334-0.html研究人員在仿生軟體翻滾機(jī)器人運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域獲進(jìn)展
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