大象可以用自己150千克左右的象鼻

輕柔地抓取墨西哥薄脆餅，而且不造成任何損傷。

吳嘉寧· 中山大學航天航空學院副教授

格致論道·灣區第14期 | 2021年12月7日 廣州

大家好，我是吳嘉寧，來自中山大學航空航天學院。今天我分享的主題是「仿生的三層境界」。

我是一名學機械出身的、熱愛數學建模的、喜歡動物的研究者。大家在日常生活中見到的很多機械，小到腳踏車，大到太空梭、宇宙飛船，都是我們的研究對象。

「跳樓勇士」的啟迪

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今天的故事開始於2020年4月份，當時我和中山大學生態學院龐虹教授做了一次交流，她是研究瓢蟲行為和結構的大專家。

▲ 龐虹教授與她研究的瓢蟲

她描述了瓢蟲在遇到危險後，從高處墜落到地面上時可能存在的不同行為：有的瓢蟲會打開自己堅硬的鞘翅和柔軟的後翅，然後像降落傘一樣扇動自己的翅膀減速，穩穩當當地摔到地面上，不會造成任何損傷；而有的瓢蟲卻不然，它們可能會直接將自己美麗鮮豔的鞘翅作為一個能量吸收器，在不展開翅膀的情況下直接墜落到地面上，完成吸能。

這一番描述引起了我的興趣，我想知道瓢蟲究竟是怎樣墜落的。於是，我們兩個課題組開展了一系列的合作。我從龐教授那裡拿了6種瓢蟲，然後用高速攝像機拍攝了瓢蟲從高處墜落到地面這一過程中的一系列行為。

▲ 孟氏隱唇瓢蟲

大家可以看到，絕大多數瓢蟲在墜落時，會在半途打開自己的鞘翅和後翅，然後扇動後翅產生一定的升力，慢慢地墜落到地面上。

但在這些瓢蟲當中我們找到了一個異類，我們稱其為「跳樓勇士」，它就是七星瓢蟲。

▲ 七星瓢蟲

七星瓢蟲從高處墜落時完全沒有任何展翅行為，而是直接腹面朝上墜落到地面上，用自己堅硬的鞘翅殼當作一個能量吸收器。

非常有趣的是，七星瓢蟲的體長大約是5毫米，我們讓它從500毫米即0.5米這樣一個相當於體長的100倍的高度墜落下去，結果它安然無恙。

對於人類而言，1.7米的人從170米的高度墜落下去，一定會粉身碎骨。但是瓢蟲卻可以很好地吸能，並且完全無損地落地。它是如何做到的呢？

我們利用高速攝像機，對它墜落地面這幾個毫秒的時間進行了細緻的拍攝。在高速攝像機拍攝的視訊當中可以很清楚地看到，在墜落的過程中瓢蟲完全沒有打開翅膀，它的兩瓣鞘翅迅速地打開再合上。這個打開合上的過程引起了我們的關注。

瓢蟲是如何把近10倍於自己體重的衝擊力完全吸收掉的呢？我們用掃描電鏡觀察了它的微觀結構特徵。瓢蟲的鞘翅是由兩瓣結構組成的，上圖所示的這個半球形結構的兩瓣之間有一個榫卯結構。這個結構由一個突出和一個凹陷緊緊契合在一起，當墜落到地面的時候，榫卯通過摩擦的作用打開，瞬時釋放出非常多的能量。

古人也會用榫卯結構去蓋房子，把一個個榫與一個個卯結合在一起建造的房子是非常安全的，這是古代勞動人民的智慧。

為了驗證榫卯結構是否在墜落過程中具有吸能效果，我們從力學角度做了一系列的仿真分析研究。我們製作了兩種鞘翅模型，第一種鞘翅模型是沒有縫的，相當於將一個薄殼摔在地面上，然後從不同的角度測試它墜落時的行為；另外一種模型就是完全模擬瓢蟲的鞘翅，製作一個帶著榫卯、有中縫的、可能會受衝擊而打開的結構，然後看這個鞘翅在整個墜落過程當中的形變。

在上面的動圖中，紅色代表大的形變，藍色代表小的形變。在七星瓢蟲墜落的瞬間，它的榫卯打開後會產生非常大的形變，這個形變可能是瓢蟲能夠在短時間內吸收能量的主要原因。

通過理解瓢蟲的這種特異行為以及它背後的機制，我們很快就做出了一個仿生的實體。利用3D列印技術，我們製作了一個像瓢蟲鞘翅這樣的可以打開的仿生結構和一個沒有中間的榫卯的結構。比較二者後我們發現，有了仿生結構，它的每一次吸能比例將超過40%。瓢蟲鞘翅本身只有一個非常輕薄的殼，但它卻能完成很大比例的能量吸收。那麼，我們是不是可以把這一結構運用到具體的仿生設計或仿生機器人中呢？

於是我們想到了大家常見的無人機。無人機在日常運行的過程中會遇到各種的情況，包括主機壞掉或者是遇到各種障礙物等等而失去動力，這時候它就會從非常高的地方墜落下來。如果此時沒有一個可以保護它的、能夠吸能的結構，無人機將會粉身碎骨。

基於以上研究，我們設計了有瓢蟲鞘翅結構的和沒有瓢蟲鞘翅結構的兩種吸能器。我們發現，有瓢蟲鞘翅縫隙結構的吸能器，它的吸能會多40%。它的設計既非常輕巧，每一個吸能器只有8克左右，又實現了非常高的能量吸取率。

我們這一研究受到了大家的廣泛關注，期待未來這個研究成果能夠廣泛應用到比如空間著陸器或無人機的運用場景中。

沉重而輕巧的象鼻

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像上面這樣的從動物行為學到力學機制，一直是仿真機器人的一個研究流程。

這種利用仿生原理進行思維拓展的方法包括三個層面：第一層是觀察動物，看它在各種各樣的行為當中的一些特異性；第二層是我們在這種特異性的基礎上總結出相應的數學、物理、力學的原理；最後一層是結合以上兩層的內容去設計新型的仿生機器人。

▲ 仿生思維方法

這種從第一層到第三層的金字塔是可以走得通的。那如果反過來是否行得通呢？比如假設我們有一個仿生機器人，當它的設計原理並不是特別完善、出現了各種問題的時候，我們是否可以向自然偷師以最佳化我們的設計呢？答案是肯定的。

我們在兩年前研製了一款仿生象鼻機器人，應用場景是在空間站內幫助航天員完成抓取、轉運、分選、操作的各種操作。這個由矽膠組成的仿象鼻的氣驅軟體機器人非常輕柔，它可以抓取各種柔脆的物質。

為什麼我們要做一個軟體機器人呢？主要原因有兩個，一方面，要保證航天員在空間站中的安全；另一方面，空間站當中有很多的精密設備，為了避免對這些設備造成永久性的傷害，非常剛性的結構是不被允許的。

當時我們做了這一款象鼻，用氣驅的方式模擬大象在抓取物品時的一系列行為。經過測試，我們發現這個象鼻的設計非常不理想。

在上面的視訊中大家可以看到，它在抓取的時候會產生各種各樣的問題，包括力控制精度不好，以及運動的時候出現了很大的抖動。這種抖動嚴重製約了機器人的性能，是完全沒有辦法在空間艙內進行運動的。

遇到這樣一個問題後，我們在想，自然是否可以告訴我們一些機制和原理呢？於是我們搬著攝像機、拿著力平臺傳感器來到動物園拍攝一頭真正的象在抓取、轉運、分選、操作各種物質時的行為。大家可以看到，這頭象在抓取芋頭塊、土豆塊時的動作都非常輕柔。通過力學平臺的測試，它可以把接觸力控制精度控制到臂體的3%左右，大概是五六個櫻桃的重量。

對於象鼻這種沒有內骨骼、完全是肉質的結構，而且還是重150千克的動物附器，它都能夠控制到這樣的程度。這不禁引人思考：我們如何通過仿造大象的機制，來設計一款控制力和運動精度都非常高的機器人呢？

接下來我們想，既然大象能夠抓日常的食物，那把大象推到它能力的邊緣，它能抓更小、更柔、更脆的物質嗎？經過一番思考，我們選擇了一種墨西哥薄脆餅，這個薄脆餅僅僅只有10克左右，非常輕薄。我們把它放到力學平臺上，讓一頭非洲象去抓取它作為自己的食物。

在做實驗之前，我們諮詢了陪伴這頭34歲的非洲母象將近10多年的飼養員，問他：「你覺得大象是否能夠辦到這個事情？」他自己都不太確定。

但現實再一次證明了象鼻的靈巧，在上圖我們可以看到，大象可以用自己150千克左右的象鼻輕柔地碰觸墨西哥薄脆餅，而且不造成任何損傷。通過多次實驗後我們發現，不經訓練的大象可以在3秒之內完成這樣一個輕巧的抓取。

這給我們帶來了怎樣的資訊呢？它的接觸力控制得非常好，極限接觸力可以控制到一個櫻桃的重量。在慢速回放中，我們可以看到它的運動非常柔順，沒有產生任何高頻的抖動。那麼，不產生高頻抖動的主因是什麼呢？讓我們回到第一層思維方法，用動物結構上的一些特徵來進行分析。

我們解剖了一隻合法的、自然死亡的大象。我們可以看到，象鼻有三層結構。

如圖所示，這三層結構分別是非常堅硬的表皮層，還有真皮層、肌肉層。我們通過力學測量發現，表皮、真皮和肌肉層的硬度分別是6∶1∶3。簡言之，象鼻從外到內長成了一個硬、軟、硬的結構，如同我們經常吃的夾心餅乾。

經過力學分析，我們發現這個「夾心餅乾」能在很大程度上控制象鼻的運動精度，而且能提升它力輸出的精度。

受到第一層和第二層的啟發，我們馬上獲得了一種新的設計思路：我們在原有的機器人上裝了一層「硬-軟-硬」的層套。經過這樣的改進，我們發現這個臂體能夠實現非常精巧的運動，而且避免了非常大的力的衝擊和高頻的抖動。它在和人交往的時候也是完全沒有問題的。

回到剛才的設計方法，我們在知道了象鼻的一系列抓取特徵之後，是否還可以吸取一些其他的經驗教訓呢？

答案是肯定的。我們對象鼻進行了精確的CT掃描，看到了其中偽骨骼的加強裝置。我們馬上把這些裝置用到了仿象鼻的機器人上。

這個視訊展示的就是一個可以去吸的、運動靈巧的、在空間當中可達度非常高的機器人。這個機器人完全滿足了我們對於航天器艙內的機器人的期望，它可以用在艙內，輔助航天員完成一系列精巧的、無損的、柔順的操作。

Science網站還專門做了一個視訊，在視訊中介紹道：象鼻是一種靈巧的機構，不僅可以抓取各種各樣的芋頭塊，而且能夠做到非常大的力學範圍的輸出。小到可以去抓墨西哥薄脆餅，大到可以抓圓木，甚至抓一些粉末材料都不在話下。

在很大程度上，這種設計思路和設計方法能夠幫助我們找到一條捷徑，以實現最優的、功能最佳的、特性最強的設計。

自然是一本字典，我們應該勤翻勤學。在學習自然的過程當中，利用我們的三層設計方法，可以很輕易地獲得仿生機器人的設計思路。

當然，如果我們在具體的工程當中遇到了一些問題，不妨虛心地去問問自然：在百萬年的進化當中，是否獲得了一些最最佳化的設計理論和方法？通過從自然那兒獲得的智慧，拓展我們的視野，形成新的設計理論和設計方法。

謝謝大家！