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水下手套让章鱼的能力掌握在人类手中,中国化工网,okmart.com
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水下手套让章鱼的能力掌握在人类手中
2022年07月23日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

弗吉尼亚理工大学的迈克尔·巴特利特(MichaelBartlett)领导的一个研究小组开发了一种灵感来源于章鱼的手套,能够安全地抓取水下物体。他们的研究入选7月13日的《科学进步》封面。

人类天生不具备在水下环境中茁壮成长的条件。我们用坦克呼吸,用氯丁橡胶防护服保护和温暖身体,用护目镜看清楚。在这样的环境中,人手抓东西的能力也很差。任何试图抓住蠕动的鱼的人都会证明,水下物体很难用我们陆地上的手指抓住。

机械工程系助理教授巴特利特(Bartlett)表示:“在某些关键时刻,这会成为一种负担。”。“大自然已经有了一些很好的解决方案,因此我们的团队向自然界寻求灵感。章鱼显然是灵感的选择。”

救援潜水员、水下考古学家、桥梁工程师和打捞人员都用手从水中救出人和物体。人手抓滑溜东西的能力较低,必须使用更大的力量,铁把手有时会影响这些操作。当需要精细的触摸时,将手做成水状会很有帮助。

这些正是巴特利特和他的同事们试图建立的附属物。他的团队在软材料和结构实验室将生物解决方案改造成由软材料和机器人制成的新技术。

从强力附着力中汲取灵感

章鱼是地球上最独特的生物之一,它有八条长臂,可以在水环境中抓住无数的东西。在实用工具和智能的完美结合中,这些手臂上覆盖着由海洋动物肌肉和神经系统控制的吸盘。

每个吸盘的形状像柱塞的末端,具有强大的抓取能力。吸盘宽阔的外缘与物体形成密封后,肌肉收缩并放松边缘后的杯状区域,以增加和释放压力。当许多吸盘接合时,它会产生很强的粘合剂,很难逃脱。

巴特利特说:“当我们观察章鱼时,粘合剂肯定很突出,可以根据需要快速激活和释放粘合剂。”。“然而,同样有趣的是,章鱼通过处理来自各种化学和机械传感器的信息,在八条手臂上控制着2000多个吸盘。章鱼真正将粘附可调性、传感和控制结合在一起,以操纵水下物体。”

将灵感付诸行动

为了设计手套,研究人员专注于重新想象吸盘:柔顺的橡胶柄上覆盖着柔软的驱动膜。设计的目的是实现与章鱼吸盘相同的功能鈥攁能够在较轻的压力下与物体形成可靠的附着,非常适合附着在平面和曲面上。

在开发了粘附机制之后,他们还需要一种手套能够感知物体并触发粘附的方法。为此,他们请来了内布拉斯加州大学林肯分校的助理教授埃里克·马克维卡(EricMarkvicka),他添加了一系列微型激光雷达光学接近传感器,用于检测物体的距离。然后通过微控制器将吸盘和激光雷达连接起来,将物体感应与吸盘啮合配对,从而模拟章鱼的神经和肌肉系统。

使用传感器接合吸盘也使系统具有适应性。在自然环境中,章鱼的手臂缠绕在岩石和表面的峭壁上,附着在光滑的外壳和粗糙的藤壶上。研究团队还希望得到一些对人类来说感觉自然的东西,让他们能够毫不费力地捡起东西,像章鱼一样适应不同的形状和大小。他们的解决方案是将合成吸盘和传感器紧密集成在一起,使可穿戴系统在水下抓取许多不同形状的物体。他们称之为八角手套。

巴特利特说:“通过将柔软、灵敏的粘接材料与嵌入式电子产品相结合,我们可以在不必挤压的情况下抓取物体。”。“它使处理潮湿或水下物体变得更容易、更自然。电子设备可以快速激活和释放粘附力。只需将手移向物体,手套就能抓取物体。这一切都可以在用户不按任何按钮的情况下完成。”

戴上手套

在测试中,研究人员尝试了几种不同的抓取模式。为了操纵精致轻巧的物体,他们使用了一个传感器。他们发现,他们可以快速捡起并释放扁平物体、金属玩具、圆柱体、勺子的双曲部分和超软水凝胶球。通过重新配置传感器网络以利用所有传感器进行物体检测,他们还能够抓取更大的物体,如盘子、盒子和碗。由硬材料和软材料组成的扁平、圆柱形、凸形和球形物体被粘附和提起,即使用户没有通过闭合双手抓取物体。

博士后研究员拉维·图提卡(Ravi Tutika)说:“这些功能模拟了头足类的高级操纵、传感和控制,为合成水下粘性皮肤提供了一个平台,可以可靠地操纵各种水下物体。”。“这无疑是朝着正确的方向迈出的一步,但在我们达到大自然的全部抓握能力之前,我们需要了解章鱼以及如何制作集成粘合剂。”

展望未来,研究人员设想手套在水下抓取的软机器人领域、用户辅助技术和医疗保健的应用以及组装和操纵湿物体的制造中发挥作用。

这项工作由代表弗吉尼亚理工大学、爱荷华州州立大学和内布拉斯加州林肯大学的肖恩·弗雷、A.B.M.塔希杜尔·哈克、伊丽莎白·克罗茨、科尔·哈维坎普和Chanhong Lee共同完成。

标签:海洋化学化工应用
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