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跳蛛神秘跳躍機制深入研究:可用于研制超能機器人
2018-05-15 閱讀次數:

  據國外媒體報道,我們知道蜘蛛是一種安靜的“八腿怪物”,它們會潛伏在獵物周圍,使用蜘蛛網和毒液捕獲獵物。但事實上45萬種蛛形綱生物中,13%物種是通過跳躍發動攻擊,它們悄然接近獵物,然后像一只“八腿老虎”,突然躍起撲向獵物。頗似科幻電影《哈利波特》中的八眼巨蛛——“阿拉戈克(Aragog)”。
  可怕的是,這些蜘蛛跳躍方式值得深入研究,它們能從靜止狀態突然跳躍,跳躍距離達到身體長度的6倍(相比之下,人類跳躍距離僅能達到身體長度1.5倍),并且躍起時能夠攜帶身體重量5倍的獵物。如果將這些特殊生理機制轉化為機械設計方案,將對我們最新研制的機器人帶來設計革命,但同時我們需要考慮到這些智能機器人對人類的潛在威脅。
  英國曼徹斯特大學研究小組進行了一項研究,它們訓練了一只名為“金姆(Kim)”的帝王跳蛛(菲蛛屬物種),它在跨越障礙跳躍訓練中跳躍了不同距離,期間一臺超高速攝像機記錄了它的跳躍過程。這項最新發現發表在近日出版的《科學報告》上,更加詳細地研究了該物種和其它蜘蛛物種的跳躍機制。
  最新研究報告作者、曼徹斯特大學古生物學家拉塞爾·加伍德(Russell Garwood)說:“對于該物種的一個關鍵性發現是短距離跳躍傾向于使用低角度軌跡,這樣減少了空中躍起時間,這種類型的跳躍,通常在空中躍起時間大約30毫米,具有更快、更優化的跳躍速度,并且具有一定的精確度。”
  相比之下,遠距離跳躍(距離超過60毫米)則使用更陡的起跳角度優化空中躍起時間,可使蜘蛛跳躍更遠的距離,同時減少了能量消耗。加伍德說:“因此蜘蛛的跳躍行為差異取決于跳躍性質。”
  與其它蛛形綱和無脊椎節肢動物相比,跳蛛具有非常敏銳的視覺能力,頭部前端有4只大眼睛,頭部頂端有4只小眼睛。這種視覺很可能使蜘蛛有效地可以測量距離,并確定遠距離和近距離所需要的合適時間和角度,但這并不意味著這些蜘蛛能夠看到很遠的位置。在實驗中“金姆”的跳躍最大距離是60毫米,它拒絕跳躍更遠的距離,很可能并非是它不會跳至更遠距離,而是自己的視力所導致的。
  研究人員從當地寵物商店里購買了幾只帝王跳蛛,對它們進行訓練,但是僅有“金姆”能夠接受這項訓練,這只蜘蛛重量150克,體長15毫米。加伍德說:“客觀地講,我是非常幸運的,這項研究主要是靠運氣完成的,我們必須使用相機非常努力地捕捉鏡頭才行。”
  研究人員注意到,帝王跳蛛似乎是利用急性肌肉收縮來實現跳躍,而不像其它節肢動物那樣,在類似彈弓機制中使用存儲的能量。加伍德說:“問題的關鍵在于我們希望識別跳蛛的這種跳躍機制原理,分析該蜘蛛物種是否使用液壓方式促使肌肉變得更加強大,最終實現數倍身體長度的跳躍距離。”
  蜘蛛使用血淋巴壓力(haemolymph pressure)延伸它們的腿部,血淋巴相當于蛛形綱動物的血液。最初人們認為,血淋巴液壓力能夠與腿部肌肉力量結合在一起,從而實現“金姆”的上升跳躍,而并非僅是橫向或者下行跳躍。
  加伍德說:“令人遺憾的是,我們仍無法確定這一點。”基于對帝王跳蛛的跳躍觀測,以及三維CT掃描獲得的腿部生理數據,研究人員發現跳躍很可能取決于腿部肌肉質量。血淋巴形成的液壓力對蜘蛛跳躍產生促進作用,但它并不是一個重要特征,我們希望未來的研究中能夠進一步闡明解釋。
  如果這種物理跳躍可以復制到飛行機器人或者跳躍機器人,它將有助于解決多數機器人在地面上的生物力學限制。也就是說,這將是一項技術突破,可使機器人平衡性能更好,擁有充足動力跳躍至更遠距離,或許這將開啟一個微型機器人的新紀元。
  事實上,這支研究小組使用“金姆”三維CT掃描,構建了一個蜘蛛腿部和身體結構的比例模型,并結合跳躍機制。但令人遺憾的是,這個比例模型蜘蛛在跳躍測試時發生了爆炸,這說明我們仍不擅長研發可操作的電子設備,我們還需要更多的研究數據,進而證實蜘蛛和其它小型生物如何靈活地控制它們的跳躍和移動時產生的作用力。
  如果人們生活的環境布滿大量小型跳躍蜘蛛機器人,你或許會認為這個關鍵性研究項目或許帶給人們的是災難,某些新型機器人技術可帶來技術創新,但同時也是一把雙刃劍,或許未來智能機器人將成為人類生存的一個重要威脅。

 

 

文章來源:新浪科技
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