學習蟑螂好榜樣：仿生機器人開發者如何向蟑螂取經？

蟑螂無處不在，即便是在一個看上去像是密室與外界完全隔絕的房間裏，也會發現蟑螂出沒的痕跡，在你發誓已經關緊了門的櫥櫃裏，蟑螂旁若無人地爬過。如今，加州大學伯克利分校的 Kaushik Jayaram 與 Robert Full 已經找出了蟑螂進行祕密滲透的方法。
在針對美國大蠊（就是蟑螂）進行了一系列試驗後，兩人發現它們具有驚人的縮小體型穿越縫隙的能力。這種昆蟲一般來説有 12 毫米高，但是它能夠擠過僅為 3 毫米的空隙（這個高度大約為兩美分硬幣疊起來的高度）。它們會通過蹲下的動作將自己的身體壓縮到僅有一半的高度。蟑螂可以説是世界上最令人噁心的變形金剛：它們能夠在頃刻之間改變形狀，從一隻立體的蟑螂變成一張壓扁的蟑螂。想想就十分醉人。

更糟糕的是，即便是這種壓扁的蟑螂依然能夠快速移動。儘管為了能讓身體變得扁平它們的腿已經伸展開來，但是這種可惡的蟲子依然能夠以每秒 60 釐米的速度到處亂竄。「對於人類體型來説，這大概相當於每小時 70 英里（約為 112 公里）的速度。」Full 解釋道，「它們能在你家的牆壁與天花板上高速奔馳。」

這一種變形的能力對於蟑螂來説尤為不可思議，因為就像所有的昆蟲的那樣，蟑螂也有着明顯的外骨骼。軟體動物比如蠕蟲或者章魚可以輕易地從緊密的縫隙裏鑽過去，只要看看章魚的活動方式就可以理解，但是想到蟑螂也能擠過縫隙卻不那麼好理解。「蟑螂的外骨骼並不像人們想象的那般酥脆且堅硬，」Full 加以解釋。蟑螂的外骨骼是由柔軟、可變形的膜連接着硬殼，其運作原理就像是一個鉸鏈。甚至連蟑螂身上較硬的某些外骨骼部分也是靈活可變形的，一些部位的柔性可變程度是其他外骨骼部分的 10 倍。這種身體構造帶來的結果就是使蟑螂成為了一種可以在不傷害自己「打不死的小強」的聲譽下自如改變形狀的神奇物種。如果不是那麼的煩人，其實蟑螂也是一種挺有趣的昆蟲。
為了測試出蟑螂外骨骼的壓縮特性，Jayaram 與 Full「對於活體蟑螂進行了一系列動態壓縮試驗」。換句話説，他們在測試中用金屬活塞積壓蟑螂。從試驗中兩人發現當蟑螂穿過最微小的縫隙時，相當於其身體承受着 300 倍於自身重量的壓力。實際上蟑螂可以在承受自身體重 900 倍的力量時毫髮無損，或者僅僅是爬行速度略有放慢。多麼了不起的動物，在大自然中不停進化出了不死之軀，如今已經來到了你家中。

「蟑螂給人類上了很好的一課，」喬治亞理工大學的 Daniel Goldman 説到，「這種動物從各個方面來看都絕不一般，不論是形狀還是變形方式，甚至它們也不拘泥於自己的身體形式。」


Full 專門從事動物運動原理方面的研究。他曾經發現了壁虎是如何貼在牆壁上垂直運動而不跌落，以及章魚如何使用觸角將自己模仿成一個椰子那樣行進。他跟蹤調查蟑螂已經超過了 14 年時間，一直在觀察它們如何飛速前進、如何飛起以及如何爬到牆上。經過多次觀察，他發現蟑螂為了逃避人們的視線，不但能夠在兩個物體之間像鐘擺一樣懸空蕩漾自己的身體，還能倒吊在樹枝上，在翻個底朝天的時候振動自己的翅膀，即便斷了四隻腿也能一路狂飆，在沒有腳的時候持續攀爬。Full 甚至還給蟑螂安上了一個微型噴氣揹包，想要看看它們在攀爬牆壁的時候被氣流轟到一邊去要如何處理，結果就是蟑螂看上去很好地處理了這個突發情況。
Full 的研究團隊將他們從蟑螂身上學習到的經驗用於製造與蟑螂擁有相同特殊能力的機器人。比如説 Jayaram 已經造出了一個可以壓縮軀體的蟑螂機器人，它看上去像是一個黃色的土鱉，它可以像蟑螂一樣壓縮自己的身體。這個蟑螂機器人有 75 毫米高，經過壓縮後身體高度僅為 35 毫米。

這些仿生機器人還處於模型開發階段，可供研究人員檢測他們對於自己研究的動物是否已經充分理解。「我們可以嘗試給機器人制作不同的腿與身體，看看它是否能夠充分反映出我們所研究動物的特性，找找有沒有哪裏缺失。」


不過這種蟑螂仿生機器人也是有實際用途的。Picture RoboRoach 穿行於一座座倒塌建築物的廢墟中尋找倖存者，它可以在不損害設備以及不減緩速度的情況下擠壓自己的身體通過建築物的裂縫。Jayaram 想要做的就是讓這種 RoboRoach 仿生機器人變得更小巧更具有自主性，Full 為此還與災難現場的快速反應救援人員進行了交流，了解到他們在實際救援工作中都有哪些需求。「想象一下你擁有一支由蟑螂機器人組成的救災快速反應部隊，只要將它們扔到倒塌的建築物中就可以儘快了解廢墟里面的情況。」
來自意大利的仿生機器人研究所的 Cecilia Laschi 認為這方面的研究有助於人們重新思考機器人的運動原理。她與自己的合作者已經制作出了軟體機器人，其靈感就來源於靈活可變形的動物如章魚和水母。這種軟體機器人沒有堅硬的外殼與硬骨骼，它由柔軟且具有彈性的材料製造而成。

但是這種模仿章魚與水母運動方式的仿生機器人通常會因為追求柔軟彈性而犧牲掉原有的速度與力量。蟑螂機器人可大不一樣。「人們通過模仿鼻涕蟲和蠕蟲製造出了軟體機器人，但是我們覺得模仿蟑螂製作機器人才是可行之路。」Full 對於蟑螂機器人的未來很有信心，「蟑螂就像我們人類一樣擁有肢體，它們的肌肉也可以生成很多力量。」

「他們好似動物行為翻譯家，他們所做的工作能為我們研發具有生物學特性的機器人提供很多創意。」喬治亞理工學院機器人制造方面的專家的 Howie Choset 認為 Jayaram 與 Full 的動物行為研究工作十分具有啟發性，「當我讀完了他們寫的論文後十分激動，想要立馬開發出一款具有蟑螂特性的搜救機器人。」

文章來源：the Atlantic，由 TECH2IPO / 創見 陳錚 編譯，首發於創見科技（http://tech2ipo.com/），轉載請註明出處

資料來源：TECH2IPO