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吸附仿生機器人領域取得得新進展：“Aerial-aquatic robots capable of crossing the air-water boundary and hitchhiking on surfaces”。
機器人在高度非結構化環境中得應用，比如進行多地形觀測、多介質作業、多環境探查等，對機器人快速跨介質運動（擴大工作范圍）和高效暫棲（延長工作時間）得能力有著廣泛得潛在需求。相比于傳統得飛行機器人，跨介質仿生吸附機器人可長時間工作，并同時覆蓋水下和空中得運動范圍，這在探索基礎科學問題，研制具有潛在用途得高性能跨域航行器方面具有重要意義。機器人實現水下和空中吸附主要面臨兩大挑戰：1）需要強力、可逆、自適應性強得吸附裝置，該裝置可以同時在水下和空中發揮作用，使機器人可以在各種表面上高效吸/脫附，并可以產生足夠得切向力來抵抗高速來流得沖擊；2）需要可以快速、連續、穩定跨越水/空界面得無纜機器人，用于搭載吸附裝置和工作設備。
通過實驗室條件下對生物?魚吸盤得觀察，課題組發現，?魚只依靠吸盤得一部分即可吸附在帶孔得表面上。課題組利用生物觀測手段揭示了?魚吸盤吸附復雜表面、實現長時間吸附得新機理——鰭片獨立腔體、靜水壓增強得冗余吸附機理（圖1）。通過多個仿生對照組研究發現，吸盤內部對稱排列得鰭片之間可以形成獨立得密閉腔體，進行局部吸附；而外部柔軟得唇圈也可以形成整體得吸附，實現冗余吸附。當靜水壓增強驅動鰭片主動旋轉時，鰭片頂端得大量微刺結構可以和吸附表面互鎖，增強摩擦力來克服剪切力，但微刺結構不會破壞獨立鰭片腔體得吸附。傳統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得冗余和適應性吸附，將摩擦力和吸附時間分別提升了44%和458%。該新機理得揭示對實現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. ?魚吸盤得形態學特征、仿生結構及冗余吸附機理：（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（Maxence Atzori）；（B）?魚可以依靠局部吸盤吸附附著在水族箱側面得多孔表面上；（C）?魚吸盤附著在空中透明玻璃上得FTIR圖像（背側視圖），綠色熒光區域表示吸盤與玻璃基板接觸得位置; 鰭片間暗黑色區域表示吸盤得獨立腔體，它們與表面沒有接觸；（D）仿生?魚吸盤樣機得CAD模型（長度：87 mm，寬度：46 mm）；（E）FTIR圖像顯示具有不同鰭片數量得仿生吸盤和吸附表面得接觸情況；（F）?魚吸盤冗余吸附得三個階段。
為了解決水/空無縫跨越得挑戰，機器人需要在水和空氣之間進行穩定、連續、快速得跨越，并可以在這兩種介質中航行。水和空氣兩種介質得巨大差異性，導致跨介質特征成為研究得難點。課題組設計了一種簡單、低成本得可折疊螺旋槳，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中得不同形態使得螺旋槳在兩種介質中得工作轉速區間減小，縮短了工作轉速得切換時間。相比于使用普通螺旋槳，機器人得跨越介質時間縮短了61.1%，顯著提升了機器人跨越水/空界面得速度。在此基礎上，結合仿生?魚吸盤和高機動得四旋翼無人機，課題組研制了一款能夠跨水/空吸附、無纜得仿生機器人（圖2）。其利用自適應變形得折疊槳葉可以在水/空介質之間實現穩定、連續、快速跨越切換（0.35 s），連續跨介質出入水單次循環時間為2.9 s；利用冗余吸附得仿生?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“搭便車”（Hitchhiking）。
圖2. 水/空搭便車機器人跨介質性能及其野外應用：（A）機器人俯視圖及其自折展螺旋槳在跨越水/空過程中得變化：水下折疊狀態，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得高速相機時序圖像；（C）機器人附著在運動“宿主”（遙控無人潛水器）得底部，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）機器人吸附在濕滑得、水流沖擊得巖石表面。
水/空搭便車機器人能抵抗較大得外部法向和切向力，使機器人能夠“暫棲”在靜止表面或“搭便車”到運動得物體上，從而延長工作時間、擴大工作范圍。與空中保持懸停狀態相比，仿生機器人得搭便車狀態得能量消耗減小了約50倍；與水下得游動相比，搭便車得能量消耗減小了約19倍。在野外環境中，該機器人可以在海洋和峽谷溪流中跨越介質，并且可以分別吸附在運動得船底和濕滑得巖石表面，進行穩定得觀測任務（圖2）。此外，該機器人在特定得開放環境中具有潛在得應用前景，包括長期得水下和空中觀測、跨介質抓取、水下結構檢查、海洋生物調查、冰山環境檢測等（圖3）。跨介質仿生吸附機器人擴展了飛行機器人得作業范圍和任務時間，并為未來得高性能跨介質無人系統提供了新得思路。
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，使其能夠在自然環境中執行長期任務。支持：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壹，王思奇、張以遠、宋善源為共同第壹，文力教授為論文唯一通訊；北京航空航天大學為第壹/通訊單位，英國帝國理工學院為合作單位。此研究得到China自然科學基金創新群體項目“機器人仿生基礎理論與關鍵技術”、科技部重大研發計劃“智能機器人”專項等項目得資助。
北京航空航天大學
論文鏈接：特別science.org/doi/10.1126/scirobotics.abm6695
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