大象可以用自己150千克左右的象鼻

轻柔地抓取墨西哥薄脆饼，

而且不造成任何损伤。

吴嘉宁 · 中山大学航天航空学院副教授

格致论道·湾区第14期 | 2021年12月7日广州

大家好，我是吴嘉宁，来自中山大学航空航天学院。今天我分享的主题是“仿生的三层境界”。

我是一名学机械出身的、热爱数学建模的、喜欢动物的研究者。大家在日常生活中见到的很多机械，小到自行车，大到航天飞机、宇宙飞船，都是我们的研究对象。

“跳楼勇士”的启迪

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今天的故事开始于2020年4月份，当时我和中山大学生态学院庞虹教授做了一次交流，她是研究瓢虫行为和结构的大专家。

▲ 庞虹教授与她研究的瓢虫

她描述了瓢虫在遇到危险后，从高处坠落到地面上时可能存在的不同行为：有的瓢虫会打开自己坚硬的鞘翅和柔软的后翅，然后像降落伞一样扇动自己的翅膀减速，稳稳当当地摔到地面上，不会造成任何损伤；而有的瓢虫却不然，它们可能会直接将自己美丽鲜艳的鞘翅作为一个能量吸收器，在不展开翅膀的情况下直接坠落到地面上，完成吸能。

这一番描述引起了我的兴趣，我想知道瓢虫究竟是怎样坠落的。于是，我们两个课题组开展了一系列的合作。我从庞教授那里拿了6种瓢虫，然后用高速摄像机拍摄了瓢虫从高处坠落到地面这一过程中的一系列行为。

▲ 孟氏隐唇瓢虫

大家可以看到，绝大多数瓢虫在坠落时，会在半途打开自己的鞘翅和后翅，然后扇动后翅产生一定的升力，慢慢地坠落到地面上。

但在这些瓢虫当中我们找到了一个异类，我们称其为“跳楼勇士”，它就是七星瓢虫。

▲ 七星瓢虫

七星瓢虫从高处坠落时完全没有任何展翅行为，而是直接腹面朝上坠落到地面上，用自己坚硬的鞘翅壳当作一个能量吸收器。

非常有趣的是，七星瓢虫的体长大约是5毫米，我们让它从500毫米即0.5米这样一个相当于体长的100倍的高度坠落下去，结果它安然无恙。

对于人类而言，1.7米的人从170米的高度坠落下去，一定会粉身碎骨。但是瓢虫却可以很好地吸能，并且完全无损地落地。它是如何做到的呢？

我们利用高速摄像机，对它坠落地面这几个毫秒的时间进行了细致的拍摄。在高速摄像机拍摄的视频当中可以很清楚地看到，在坠落的过程中瓢虫完全没有打开翅膀，它的两瓣鞘翅迅速地打开再合上。这个打开合上的过程引起了我们的关注。

瓢虫是如何把近10倍于自己体重的冲击力完全吸收掉的呢？我们用扫描电镜观察了它的微观结构特征。瓢虫的鞘翅是由两瓣结构组成的，上图所示的这个半球形结构的两瓣之间有一个榫卯结构。这个结构由一个突出和一个凹陷紧紧契合在一起，当坠落到地面的时候，榫卯通过摩擦的作用打开，瞬时释放出非常多的能量。

古人也会用榫卯结构去盖房子，把一个个榫与一个个卯结合在一起建造的房子是非常安全的，这是古代劳动人民的智慧。

为了验证榫卯结构是否在坠落过程中具有吸能效果，我们从力学角度做了一系列的仿真分析研究。我们制作了两种鞘翅模型，第一种鞘翅模型是没有缝的，相当于将一个薄壳摔在地面上，然后从不同的角度测试它坠落时的行为；另外一种模型就是完全模拟瓢虫的鞘翅，制作一个带着榫卯、有中缝的、可能会受冲击而打开的结构，然后看这个鞘翅在整个坠落过程当中的形变。

在上面的动图中，红色代表大的形变，蓝色代表小的形变。在七星瓢虫坠落的瞬间，它的榫卯打开后会产生非常大的形变，这个形变可能是瓢虫能够在短时间内吸收能量的主要原因。

通过理解瓢虫的这种特异行为以及它背后的机制，我们很快就做出了一个仿生的实体。利用3D打印技术，我们制作了一个像瓢虫鞘翅这样的可以打开的仿生结构和一个没有中间的榫卯的结构。比较二者后我们发现，有了仿生结构，它的每一次吸能比例将超过40%。瓢虫鞘翅本身只有一个非常轻薄的壳，但它却能完成很大比例的能量吸收。那么，我们是不是可以把这一结构运用到具体的仿生设计或仿生机器人中呢？

于是我们想到了大家常见的无人机。无人机在日常运行的过程中会遇到各种的情况，包括主机坏掉或者是遇到各种障碍物等等而失去动力，这时候它就会从非常高的地方坠落下来。如果此时没有一个可以保护它的、能够吸能的结构，无人机将会粉身碎骨。

基于以上研究，我们设计了有瓢虫鞘翅结构的和没有瓢虫鞘翅结构的两种吸能器。我们发现，有瓢虫鞘翅缝隙结构的吸能器，它的吸能会多40%。它的设计既非常轻巧，每一个吸能器只有8克左右，又实现了非常高的能量吸取率。

我们这一研究受到了大家的广泛关注，期待未来这个研究成果能够广泛应用到比如空间着陆器或无人机的运用场景中。

沉重而轻巧的象鼻

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像上面这样的从动物行为学到力学机制，一直是仿真机器人的一个研究流程。

这种利用仿生原理进行思维拓展的方法包括三个层面：第一层是观察动物，看它在各种各样的行为当中的一些特异性；第二层是我们在这种特异性的基础上总结出相应的数学、物理、力学的原理；最后一层是结合以上两层的内容去设计新型的仿生机器人。

▲ 仿生思维方法

这种从第一层到第三层的金字塔是可以走得通的。那如果反过来是否行得通呢？比如假设我们有一个仿生机器人，当它的设计原理并不是特别完善、出现了各种问题的时候，我们是否可以向自然偷师以优化我们的设计呢？答案是肯定的。

我们在两年前研制了一款仿生象鼻机器人，应用场景是在空间站内帮助航天员完成抓取、转运、分选、操作的各种操作。这个由硅胶组成的仿象鼻的气驱软体机器人非常轻柔，它可以抓取各种柔脆的物质。

为什么我们要做一个软体机器人呢？主要原因有两个，一方面，要保证航天员在空间站中的安全；另一方面，空间站当中有很多的精密设备，为了避免对这些设备造成永久性的伤害，非常刚性的结构是不被允许的。

当时我们做了这一款象鼻，用气驱的方式模拟大象在抓取物品时的一系列行为。经过测试，我们发现这个象鼻的设计非常不理想。

在上面的视频中大家可以看到，它在抓取的时候会产生各种各样的问题，包括力控制精度不好，以及运动的时候出现了很大的抖动。这种抖动严重制约了机器人的性能，是完全没有办法在空间舱内进行运动的。

遇到这样一个问题后，我们在想，自然是否可以告诉我们一些机制和原理呢？于是我们搬着摄像机、拿着力平台传感器来到动物园拍摄一头真正的象在抓取、转运、分选、操作各种物质时的行为。大家可以看到，这头象在抓取芋头块、土豆块时的动作都非常轻柔。通过力学平台的测试，它可以把接触力控制精度控制到臂体的3%左右，大概是五六个樱桃的重量。

对于象鼻这种没有内骨骼、完全是肉质的结构，而且还是重150千克的动物附器，它都能够控制到这样的程度。这不禁引人思考：我们如何通过仿造大象的机制，来设计一款控制力和运动精度都非常高的机器人呢？

接下来我们想，既然大象能够抓日常的食物，那把大象推到它能力的边缘，它能抓更小、更柔、更脆的物质吗？经过一番思考，我们选择了一种墨西哥薄脆饼，这个薄脆饼仅仅只有10克左右，非常轻薄。我们把它放到力学平台上，让一头非洲象去抓取它作为自己的食物。

在做实验之前，我们咨询了陪伴这头34岁的非洲母象将近10多年的饲养员，问他：“你觉得大象是否能够办到这个事情？”他自己都不太确定。

但现实再一次证明了象鼻的灵巧，在上图我们可以看到，大象可以用自己150千克左右的象鼻轻柔地碰触墨西哥薄脆饼，而且不造成任何损伤。通过多次实验后我们发现，不经训练的大象可以在3秒之内完成这样一个轻巧的抓取。

这给我们带来了怎样的信息呢？它的接触力控制得非常好，极限接触力可以控制到一个樱桃的重量。在慢速回放中，我们可以看到它的运动非常柔顺，没有产生任何高频的抖动。那么，不产生高频抖动的主因是什么呢？让我们回到第一层思维方法，用动物结构上的一些特征来进行分析。

我们解剖了一只合法的、自然死亡的大象。我们可以看到，象鼻有三层结构。

如图所示，这三层结构分别是非常坚硬的表皮层，还有真皮层、肌肉层。我们通过力学测量发现，表皮、真皮和肌肉层的硬度分别是6∶1∶3。简言之，象鼻从外到内长成了一个硬、软、硬的结构，如同我们经常吃的夹心饼干。

经过力学分析，我们发现这个“夹心饼干”能在很大程度上控制象鼻的运动精度，而且能提升它力输出的精度。

受到第一层和第二层的启发，我们马上获得了一种新的设计思路：我们在原有的机器人上装了一层“硬-软-硬”的层套。经过这样的改进，我们发现这个臂体能够实现非常精巧的运动，而且避免了非常大的力的冲击和高频的抖动。它在和人交往的时候也是完全没有问题的。

回到刚才的设计方法，我们在知道了象鼻的一系列抓取特征之后，是否还可以吸取一些其他的经验教训呢？

答案是肯定的。我们对象鼻进行了精确的CT扫描，看到了其中伪骨骼的加强装置。我们马上把这些装置用到了仿象鼻的机器人上。

这个视频展示的就是一个可以去吸的、运动灵巧的、在空间当中可达度非常高的机器人。这个机器人完全满足了我们对于航天器舱内的机器人的期望，它可以用在舱内，辅助航天员完成一系列精巧的、无损的、柔顺的操作。

Science网站还专门做了一个视频，在视频中介绍道：象鼻是一种灵巧的机构，不仅可以抓取各种各样的芋头块，而且能够做到非常大的力学范围的输出。小到可以去抓墨西哥薄脆饼，大到可以抓圆木，甚至抓一些粉末材料都不在话下。

在很大程度上，这种设计思路和设计方法能够帮助我们找到一条捷径，以实现最优的、功能最佳的、特性最强的设计。

自然是一本字典，我们应该勤翻勤学。在学习自然的过程当中，利用我们的三层设计方法，可以很轻易地获得仿生机器人的设计思路。

当然，如果我们在具体的工程当中遇到了一些问题，不妨虚心地去问问自然：在百万年的进化当中，是否获得了一些最优化的设计理论和方法？通过从自然那儿获得的智慧，拓展我们的视野，形成新的设计理论和设计方法。

谢谢大家！

当看到大象用150千克重的鼻子抓取薄脆饼后，我们决定把这个原理用到空间站上 | 吴嘉宁