跨界顺风车！Science Robotics报道北航“跨介质吸附仿生机器人”-技术圈

大数据文摘授权转载自机器人大讲堂

作者：北航仿生与软体机器人实验室

2022年5月19日，国际顶级期刊《科学·机器人》（Science Robotics）杂志报道了北京航空航天大学机械工程及自动化学院仿生机器人研究团队文力课题组在跨介质吸附仿生机器人领域取得的新进展。

大自然是神奇的，总会给人们带来无尽惊喜。海洋中有一种最喜欢“躺平”的懒鱼，名为䲟（yin）鱼，它的头部顶着一个形似“鞋印”的椭圆形吸盘。䲟鱼可以用自己的吸盘吸附在船底或大型海洋生物身上“偷懒”，搭顺风车去到海洋各处索食，常被称作海中的免费“旅行家”。

海洋中的大鱼并不喜欢吸附在它们身上“偷懒”的䲟鱼，海豚会跃出水面，在空中扭转身体试图甩掉身体上这个寄生物，但是䲟鱼依然可以牢牢地附着在海豚身上，也是把偷懒发挥到了极致。

在2017年的前期研究工作中，北航文力课题组受这种“懒鱼”启发，攻克了还原吸盘结构、制作锥状小刺、实现鳍片微动三大技术难关，研制出吸附力可达自重340倍的“仿生䲟鱼软体吸盘机器人”。这项研究工作从生物力学角度揭示了䲟鱼的吸附机制，但初代吸盘机器人样机存在机器人移动范围小（由于线缆限制）、吸附复杂表面难（如破损、曲面、粗糙度高的表面）、机器人的机动性不足等关键问题。

如今，课题组开脑洞地设计制作出了一种可以游泳、飞行和跨介质搭顺风车的机器人，于最近发表在最新一期的机器人领域国际顶级期刊《科学·机器人学》（Science Robotics）上。该论文第一作者为北航机械工程及自动化学院博士研究生李磊，王思奇、张以远、宋善源为共同第一作者，文力教授为论文通讯作者。

需求广泛，意义重大

机器人在高度非结构化环境中的应用，比如进行多地形观测、多介质作业、多环境探查等，非常需要机器人具备快速跨介质运动（扩大工作范围）和高效暂栖（延长工作时间）的能力。

相比于传统的飞行机器人，跨介质吸附仿生机器人可以同时在水下潜航和空中飞行，吸附在各种复杂表面上“搭便车”，节约能量，长时间工作，这在探索未知的基础科学问题，研制具有潜在用途的高性能跨域航行器方面具有重要意义。

攻克两大研究挑战

跨介质吸附仿生机器人的研发需要克服两大挑战：

1）强力、可逆、自适应性强的吸附装置——可以同时在水下和空中发挥作用，在各种表面上高效吸/脱附，并产生足够大的切向力来抵抗高速来流的冲击；

2）可以快速、连续、稳定跨越水/空界面的无缆机器人——用于搭载吸附装置和工作设备。

打破常理，冗余吸附

在观察生物䲟鱼吸附时，课题组发现了一个非常有趣的现象，䲟鱼只依靠吸盘的一部分即可吸附在带孔的表面上。

利用受抑全内反射显示技术（FTIR），分析䲟鱼吸盘和表面的接触情况发现——吸盘内部对称排列的鳍片之间可以形成独立的密闭腔体，进行局部吸附；而外部柔软的唇圈也可以形成整体的吸附，实现冗余吸附。

揭示了䲟鱼吸盘吸附复杂表面、实现长时间吸附的新机理——鳍片独立腔体、静水压增强的冗余吸附机理。

当静水压增强驱动鳍片旋转时，鳍片顶端的大量微刺可以和吸附表面互锁，增强摩擦力来克服剪切力，但微刺不会破坏鳍片形成的独立腔体。

商用吸盘或早期的仿生䲟鱼吸盘（Wang et al., Science Robotics, 2017）对泄漏和外部冲击很敏感，而冗余吸附的仿生䲟鱼吸盘，将摩擦力和吸附时间分别提升了44%和458%，可以抵抗泄漏和外部冲击。该新机理的揭示对实现仿生机器人在各种表面上长时间“搭便车”具有重要意义。

突破边界，上天入海

为了吸附复杂表面，机器人平台需要具有高机动性能，旋翼机器人成为最优选择，但是前人缺乏对水空跨越过程的详细讨论。

本项目研究发现，由于螺旋桨在两种不同介质中的工作转速区间差异巨大，缩短螺旋桨转速在水/空界面处的变化周期是实现旋翼机器人快速跨越介质的一个重要因素。

课题组创新性地设计了一种简单、低成本的可折叠螺旋桨，其在水下可以自适应折叠，在空中可以被动展开。使得螺旋桨在两种介质中的工作转速区间减小，缩短了工作转速的切换时间。相比于使用普通螺旋桨，机器人的跨越介质时间缩短了61.1%，显著提升了机器人跨越水/空界面的速度。

其利用自适应变形的折叠桨叶可以在水/空介质之间实现稳定、连续、快速跨越切换（0.35 s），连续跨介质出入水单次循环时间为2.9 s；利用冗余吸附的仿生䲟鱼吸盘能够高效吸附复杂表面（弯曲、粗糙、不完整、生物污染表面等）抵抗较大的外部法向和切向力，保持长时间吸附，实现“搭便车”（Hitchhiking）。