壁虎為何跳得穩(wěn),機(jī)器人卻不行
為什么壁虎降落在樹枝上如此穩(wěn)當(dāng),而人類發(fā)明的仿生學(xué)機(jī)器人卻做不到?在英國(guó)《通訊·生物學(xué)》雜志近日發(fā)表的一項(xiàng)動(dòng)物學(xué)研究中,科學(xué)家通過大量實(shí)際觀察和精確模型分析指出,在樹間滑行的亞洲蝎尾蜥虎(也稱亞洲蝎虎)會(huì)在降落時(shí)用尾巴穩(wěn)定身體。
為了更好地理解蜥虎尾巴的擺動(dòng)在降落中的重要性,德國(guó)馬克斯·普朗克智能系統(tǒng)研究所科學(xué)家阿爾迪安·朱蘇飛及其同事此次利用高速攝像機(jī),拍攝了30只野生蜥虎從高臺(tái)上跳向附近一棵樹的過程,隨后再用一個(gè)近景高速攝像機(jī)拍攝了其中16只蜥虎降落時(shí)的運(yùn)動(dòng)。
研究團(tuán)隊(duì)觀察到,蜥虎會(huì)先用頭撞樹,再讓軀體和尾巴朝后擺動(dòng)。大部分著陸情況下(14次中的8次),蜥虎的身體和頭部會(huì)朝著遠(yuǎn)離樹干的方向擺動(dòng),導(dǎo)致它們失去對(duì)前足的控制,但它們會(huì)將尾巴壓住樹干以防止跌落。其中5只蜥虎在降落時(shí)四腳全在樹干上,另外一只失去了控制,摔了下來。還有兩只無尾蜥虎在嘗試降落后也從樹干上摔了下來。
為了研究蜥虎是如何利用尾巴擺動(dòng)防止摔落的,研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了兩個(gè)類似蜥虎的柔性機(jī)器人,并用彈射器發(fā)射,模擬從滑行到高速降落的過程。這兩個(gè)機(jī)器人的身形比例類似蜥虎,但一個(gè)機(jī)器人有像蜥虎一樣的尾巴,而另一個(gè)沒有。研究人員測(cè)量了這兩個(gè)機(jī)器人在貼了魔術(shù)貼的垂直表面上降落時(shí)足部產(chǎn)生的力。他們發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)中無尾機(jī)器人成功降落在垂直表面的概率只有15%,而有尾機(jī)器人的成功概率有55%。如果將尾巴長(zhǎng)度縮短到原來的25%,機(jī)器人成功降落所需的足部力量需要增加一倍以上。
結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果以及機(jī)器人分析模型顯示,尾巴能通過減少機(jī)器人貼在垂直面上所需的足力,提高其降落穩(wěn)定性和成功率。研究結(jié)果表明,蜥虎在樹間滑行時(shí),尾巴可能也起到了類似的作用。研究人員認(rèn)為,與蜥虎尾巴相似的結(jié)構(gòu)或能幫助飛行機(jī)器人(如無人機(jī))在垂直表面降落時(shí)起到穩(wěn)定作用。