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英国一大学研究跳蛛神秘跳跃机制,可用于研制超能机器人

2018-05-15 09:27 来源:新浪科技

跳蛛跳跃方式值得深入研究,它们能从静止状态突然跳跃,跳跃距离达到身体长度的6倍(相比之下,人类跳跃距离仅能达到身体长度1.5倍),并且跃起时能够携带身体重量5倍的猎物。专家称,基于跳蛛的生理机制可用于研制新型跳跃机器人。

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据国外媒体报道,我们知道蜘蛛是一种安静的“八腿怪物”,它们会潜伏在猎物周围,使用蜘蛛网和毒液捕获猎物。但事实上45万种蛛形纲生物中,13%物种是通过跳跃发动攻击,它们悄然接近猎物,然后像一只“八腿老虎”,突然跃起扑向猎物。颇似科幻电影《哈利波特》中的八眼巨蛛——“阿拉戈克(Aragog)”。

可怕的是,这些蜘蛛跳跃方式值得深入研究,它们能从静止状态突然跳跃,跳跃距离达到身体长度的6倍(相比之下,人类跳跃距离仅能达到身体长度1.5倍),并且跃起时能够携带身体重量5倍的猎物。如果将这些特殊生理机制转化为机械设计方案,将对我们最新研制的机器人带来设计革命,但同时我们需要考虑到这些智能机器人对人类的潜在威胁。

英国曼彻斯特大学研究小组进行了一项研究,它们训练了一只名为“金姆(Kim)”的帝王跳蛛(菲蛛属物种),它在跨越障碍跳跃训练中跳跃了不同距离,期间一台超高速摄像机记录了它的跳跃过程。这项最新发现发表在近日出版的《科学报告》上,更加详细地研究了该物种和其它蜘蛛物种的跳跃机制。

最新研究报告作者、曼彻斯特大学古生物学家拉塞尔·加伍德(Russell Garwood)说:“对于该物种的一个关键性发现是短距离跳跃倾向于使用低角度轨迹,这样减少了空中跃起时间,这种类型的跳跃,通常在空中跃起时间大约30毫米,具有更快、更优化的跳跃速度,并且具有一定的精确度。”

相比之下,远距离跳跃(距离超过60毫米)则使用更陡的起跳角度优化空中跃起时间,可使蜘蛛跳跃更远的距离,同时减少了能量消耗。加伍德说:“因此蜘蛛的跳跃行为差异取决于跳跃性质。”

与其它蛛形纲和无脊椎节肢动物相比,跳蛛具有非常敏锐的视觉能力,头部前端有4只大眼睛,头部顶端有4只小眼睛。这种视觉很可能使蜘蛛有效地可以测量距离,并确定远距离和近距离所需要的合适时间和角度,但这并不意味着这些蜘蛛能够看到很远的位置。在实验中“金姆”的跳跃最大距离是60毫米,它拒绝跳跃更远的距离,很可能并非是它不会跳至更远距离,而是自己的视力所导致的。

研究人员从当地宠物商店里购买了几只帝王跳蛛,对它们进行训练,但是仅有“金姆”能够接受这项训练,这只蜘蛛重量150克,体长15毫米。加伍德说:“客观地讲,我是非常幸运的,这项研究主要是靠运气完成的,我们必须使用相机非常努力地捕捉镜头才行。”

研究人员注意到,帝王跳蛛似乎是利用急性肌肉收缩来实现跳跃,而不像其它节肢动物那样,在类似弹弓机制中使用存储的能量。加伍德说:“问题的关键在于我们希望识别跳蛛的这种跳跃机制原理,分析该蜘蛛物种是否使用液压方式促使肌肉变得更加强大,最终实现数倍身体长度的跳跃距离。”

蜘蛛使用血淋巴压力(haemolymph pressure)延伸它们的腿部,血淋巴相当于蛛形纲动物的血液。最初人们认为,血淋巴液压力能够与腿部肌肉力量结合在一起,从而实现“金姆”的上升跳跃,而并非仅是横向或者下行跳跃。

加伍德说:“令人遗憾的是,我们仍无法确定这一点。”基于对帝王跳蛛的跳跃观测,以及三维CT扫描获得的腿部生理数据,研究人员发现跳跃很可能取决于腿部肌肉质量。血淋巴形成的液压力对蜘蛛跳跃产生促进作用,但它并不是一个重要特征,我们希望未来的研究中能够进一步阐明解释。

如果这种物理跳跃可以复制到飞行机器人或者跳跃机器人,它将有助于解决多数机器人在地面上的生物力学限制。也就是说,这将是一项技术突破,可使机器人平衡性能更好,拥有充足动力跳跃至更远距离,或许这将开启一个微型机器人的新纪元。

事实上,这支研究小组使用“金姆”三维CT扫描,构建了一个蜘蛛腿部和身体结构的比例模型,并结合跳跃机制。但令人遗憾的是,这个比例模型蜘蛛在跳跃测试时发生了爆炸,这说明我们仍不擅长研发可操作的电子设备,我们还需要更多的研究数据,进而证实蜘蛛和其它小型生物如何灵活地控制它们的跳跃和移动时产生的作用力。

如果人们生活的环境布满大量小型跳跃蜘蛛机器人,你或许会认为这个关键性研究项目或许带给人们的是灾难,某些新型机器人技术可带来技术创新,但同时也是一把双刃剑,或许未来智能机器人将成为人类生存的一个重要威胁。

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