模仿猎豹的“最快”软体机器人来了!猎豹:这是我被黑的最惨的一次 | 科学GIF

模仿猎豹的“最快”软体机器人来了


图片来源:Jie Yin, NC State University


猎豹是陆地上奔跑速度最快的生物,它们通过背部强健的肌肉控制脊柱的弯曲和伸展,来实现高速奔跑,追捕急支糖浆或是其他猎物。受猎豹的启发,在发表于《科学·进展》的一篇论文中,研究团队开发出一种新型的软体机器人。相比前几代,这种新型的软体机器人跑得更快,还能巧妙地抓取物体。


两个执行器中交替抽气,让“小猎豹”的“控制脊柱的肌肉”在收缩和伸长的两种状态下交替变换。(来源:Tang et al., 2020)


这些“小猎豹”软体机器人长约7厘米,重约45克,由两个软性气动执行器和一个弹性弹簧驱动的机械脊柱组成,拥有“双稳态”脊柱结构。猎豹机器人奔跑时,躯体会在脊背弯曲、四肢收缩交错的蹬地状态,与脊背伸展、四肢伸长的腾空状态之间变换,在蹬地或腾空至极限时,气动执行器和弹簧的能量总和均处于最低点,因此称作“双稳态”。机器人内部的两个执行器模拟脊柱,在充气时能够分别向上和向下弯曲。通过空气泵交替弹开,实现机器人正弓蹬地和反弓腾空的形态转换。这样的设计赋予了机器人“蹬地”的力量,从而在地面上跃进。


“小猎豹”能够蹬地并跃进,这使得它(上)的速度比其他软体机器人快出很多。


研究人员指出,以往的软体机器人只能在地面爬行,这限制了它们的速度。此前,软体机器人的最快速度是每秒移动0.8个体长。新一代的软性机器人能够在大约3Hz的低驱动频率下,达到每秒2.7个体长(约187.5mm/s)的速度——是此前最快速度的3倍多。


“小猎豹”(左和上)在斜坡和水中的表现也比其他软体机器人好。


除此之外,这些新机器人甚至还能在陡峭的斜坡上奔跑,在水中快速游泳。研究人员希望,这些“小猎豹”未来能够帮助搜索和救援,以及应用于工业生产中。


这种新型软体机器人还可以协同完成抓取作业。



无人机+蚊子=不会憨憨撞墙的无人机


无人机小巧、敏捷,能快速穿越各种空间,但太快的速度也带来了不小的麻烦。比如有时由于速度太快,它们可能来不及避开突然出现的障碍物,就憨憨地一头撞上去。当然,想要解决这种憨憨行为也不是没有方法,那就是尽可能给无人机里塞许多传感器,这样它们的感应能力会显著提升。但有一个问题是,感应器要占据空间、消耗功率,因此无人机的耐用性会下降。而且感应器本来就不便宜,这会让无人机造价更高。


怎么让无人机又便宜,又更好用呢?(怎么不去问问神奇海螺?)这一点,问海螺可能确实没什么用,但你去问问蚊子说不定就能找到答案。蚊子,又轻又灵敏。我们不仅没有听过蚊子撞墙而死的惨案,它们更能大概率躲过你的手掌攻击。(吸饱了血飞不动的不算!)


蚊子是如何获得这种神奇能力的?《科学》杂志的新研究发现,节肢动物具有异常敏感且多样化的机械感受器,它们可探测外部环境变化,从而避免发生碰撞。而这些位于触角底端,由大约1.2万个细胞排列构成的圆形结构,也被称作琼氏器,能感受到昆虫的触角运动。琼氏器可以探测流体流动、重力牵引和声音刺激,是动物王国中最敏感的机械感受器官之一,而蚊子的琼氏器就非常敏感。


蚊子扇动翅膀引发的空气流体流动(来源:Toshiyuki Nakata, Nathan Phillips, Patrício Simões, Ian J. Russell, Jorn A. Cheney, Simon M. Walker, Richard J. Bomphrey)


实验中,研究者用摄像机拍摄了空气在流经蚊子翅膀时的动力学特征,并且观测了蚊子是怎样利用这种空气变化来改变飞行轨迹的。有了这些数据,就能模拟蚊子贴近障碍物的过程中发生了什么。奇特的是,每当蚊子接近障碍物表面时,拍打翅膀产生的空气涡流会扭曲变形,这阵风会暂时扰乱蚊子接近物体表面的进程。而当空气转圈回来并吹向触角时,会明显影响触角附近的空气流动,让触角产生独特的摆动,这能提醒蚊子,“我要撞墙啦!立即停止飞行。”


蚊子接近障碍时,拍打翅膀形成空气涡流


那么,无人机能不能学到这一技能,从而避免撞墙呢?研究用蚊子无人机给出了答案,研究人员将这种重量仅为9.2克的摆动传感器固定在微型无人机上。有了这种气流感应机制的无人机明显更加灵敏,一口气绕五根柱子,不费劲!当然了,研究人员也说了例如新的DJI Matrice 300 RTK这种高端无人机,已经配备了先进的视觉传感器和先进的避免感测系统,完全用不上蚊子传感器了。但占据大部分市场的中低端无人机是完全可以借助蚊子感应器提升性能的,毕竟便宜又好用,憨憨才会不要呢!


添加摆动传感器的无人机



三维鼠脑空间地图让我们真正了解小白鼠


一直以来,科学家都被生命体中最神秘的器官——大脑吸引。我们对大脑的认识在不断加深,但这一领域似乎有一道鸿沟在等待跨越,那就是能整合已有脑结构组织研究的三维空间地图。


最近,在一项发表于《细胞》的研究中,艾伦脑科学研究所的科学家从小白鼠的大脑入手,构建了包含数百个不同脑区、含有约1亿个细胞的三维空间地图(CCFv3)。它的空间精度能准确定位到单个神经元,高于当前已有的三维鼠脑空间地图。


CCFv3能在单个神经细胞的精度上,看清三维小鼠的大脑结构。(来源:艾伦脑科学研究所


他们是如何做到的呢?研究人员将小鼠的大脑分解成虚拟的微小三维结构块(称为体素),并为每一体素分配了唯一的坐标。而每一块体素的结构,都来自1675只小鼠解剖结构的平均结构。随后,他们将这些体素逐一分配到小鼠的数百个脑区中。耗费3年时间,他们终于绘制出了宽度不到1.4厘米、重量约1.6g的小鼠三维大脑的复杂地形,包括所有的峰、沟壑和边界,都清晰可见。


虽然从鼠到人,可能还有一段漫长的研究道路,但CCFv3地图将帮助科学家了解大脑活动的丰富细节。而这对于治疗与大脑相关的疾病(如阿尔茨海默病)来说,也是十分重要的。CCFv3地图将帮助他们将大量实验数据,与解剖学上的三维脑区结构的神经活动整合,精确定位发生错误和病变的神经元。


撰文:杨心舟、贺白、石云雷

编辑:吴非




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