仿生机器人研究逐渐趋热

　　猎豹是陆地上跑得最快的动物，壁虎可以飞檐走壁如履平地，即使是令人厌恶的蟑螂也可以达到200英里的时速——动物世界里的种种奇迹不仅令生物爱好者们如痴如醉，还为仿生机器人的设计提供了宝贵的灵感。多年来，美国麻省理工学院(MIT)的教授兼机器人设计师吉姆(Sangbae Kim)一直致力于将动物的生理机制嫁接到机器人身上，并取得了一系列令人瞩目的成果。日前吉姆推出了自己的最新设计——一只以猎豹为原型的仿生机器人，其速度可达每小时35英里。

　　吉姆指出，轮式机器人在平地上的作业效率尚可，然而行动速度过慢却是其致命弱点。例如iRobot公司生产的美国军用机器人PackBot时速仅为5.8英里。而猎豹异常灵活的脊椎可在奔跑中提供额外的加速度或助推力。根据他的计划，研究小组将使用碳-纤维-泡沫合成材料构造一个轻量级的机器人原型，其速度可与猎豹媲美。

　　多年来，吉姆一直致力于衍生自生物学模型的机械设计。他认为，动物王国为创造移动机器人提供了最宝贵的灵感。运动是动物生活的核心部分，也是其最重要的功能之一。它们需要不断地寻找食物、水源、住处或逃离天敌。通过对其生理机制的简化和改造，以吉姆为首的研究小组创造了一系列颇具突破性的仿生机器人。其中包括不久前问世的壁虎机器人Stickybot。吉姆介绍说，壁虎可以在垂直的墙壁上如履平地，其速度约为每秒1米。这种非凡的能力使其成为爬虫机器人的完美榜样。壁虎的身手之所以如此灵活，其奥秘在于一种名为“定向粘连”(directional adhesion)的功能，它可以使壁虎在前进过程中一面牢牢吸附在墙壁上，一面迅速地将四肢与墙面分离。此外，壁虎的脚垫上覆盖着一层细毛，其直径至多是人体头发丝的千分之一。在分子间的相互作用力下，这层细毛可以牢牢地附着在物体表面，从而在垂直攀爬的过程中支撑壁虎的体重。

　　吉姆借鉴了壁虎的构造，为Stickybot打造了一种拥有硅橡胶毛发的脚垫。由于其厚度大于壁虎的脚掌，机器人的爬行能力也受到了一定的限制。目前它只能攀爬非常平滑的表面，如玻璃或白板。不过，以吉姆为首的研究小组正致力于完善相关技术，以便未来Stickybot能够攀爬纹理不均匀的墙壁。届时爬虫机器人的应用范围亦将得到极大的拓展，如水下石油管道的维修和高楼窗户的清洗等。

　　除了壁虎之外， 蜘蛛也为吉姆的爬虫机器人设计提供了不少灵感，例如目前正在接受测试的Spinybot——一个六足机器人，它身上的微型爪子或小刺同样可对物体产生附着力。和猫类不同，Spinybot无需用小刺穿透物体表面，只需“抠”住那些轻微的凸起或凹陷即可前进。它的每只脚上约有10个趾头，每个脚趾上都有两根毛刺，上面的机械装置可以独立拉伸，以便分担体重。此外，身后的尾巴也减少了前肢所需的力量。目前SpinyBot的研制已经取得了成功，研究小组的下一个目标是利用该技术打造重型机器人。

　　蟑螂或许是世界上最令人厌恶的生物，然而它在吉姆的研究中同样扮演了重要的角色。蟑螂在1秒中逃窜的路程是其身体长度的50倍，按照人类的标准换算即为每小时200英里。吉姆在实验中发现，蟑螂腿的伸张频率约为每秒钟15次，它们主要是依靠自身的力学性能前进，而不是对腿部运动的精确控制。正是基于这一发现， 吉姆设计了自己的第一款仿生机器人——iSprawl，以便对运动动力学、腿部的设计和组织理念进行测试。它是一个手掌大小的六足机器人，拥有一块电池、一个电动马达、推拉式电缆传输系统和电力输送系统，该系统可将旋转功力转换为腿部的推力，其速度可达每秒7.5英尺。随着iSprawl的问世，吉姆的“蔓延式”(sprawl)机器人家族也开始在科学界崭露头角。

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