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UC头条:商用机器人复制壁虎的脚趾

壁虎的秘密很快就被破解,人类开始努力复制它。 亚伦·帕内斯(Aaron Parness)说:“这是已经存在了很长时间的谜团之一,直到最近才在加利福尼亚州帕萨迪纳市的美国宇航局喷气推进实验室管理着机器人登山者和抓手小组。 亚里士多德是第一个问世的人,他问壁虎如何能够在开放的反重力下在表面上上下窜动,但是任何人看着六英寸的蜥蜴越过天花板都会感到奇怪。直到20年前,希腊哲学家的问题才得到回答,部分原因是秘密在于亚里斯多德死后几千年后发现的一种物理力。 范德华力是可极化分子之间的弱静电吸引力。 壁虎的脚趾垫乘以这种微小的吸引力。每个护垫大约有100万根头发,由类似于人发的角蛋白制成,但稀疏得多。它们中的每一个都以数百根更细的纳米毛作为末端,以最小的压力创造了令人难以置信的表面积,完全符合其接触的任何表面的最小特征。足够的表面接触,范德华力就变得很重要。 这个概念很简单,但是重新创建这样的表面却并非如此。

壁虎的脚趾板具有数百万个微小的毛发,这些毛发利用弱电吸引力(称为范德华力)使蜥蜴即使在最光滑的表面也能结垢。

当Parness于2010年到达JPL时,即科学家揭开壁虎之谜的十年之后,他已经在斯坦福大学读研究生,当时正在从事类似壁虎的人体攀岩技术研究(蜘蛛侠手套仍处于原型阶段)。 NASA对这种用于太空作战的抓握技术感兴趣。他说:“在微重力中移动比起行走问题更像是一个攀爬问题,”他指出,壁虎状的垫子易于使用且耐辐射,并且它们不会依赖吸盘或其他真空技术。在真空中无用。 尼克·维特尔斯(Nick Wettels)于2013年以博士后身份加入Parness小组时,这项工作已转向抓紧卫星进行轨道维修。 Wettels现在是OnRobot的研发总监,OnRobot是第一家提供基于壁虎脚趾垫的商用机械手的公司。当时,他领导着他最近共同创立的Perception Robotics公司。 在完成JPL博士后工作之后,随着公司专注于开发标准化产品,他说:“机械手确实是最佳人选。”他看到了自动化制造的潜力,在这种情况下,这种工具可以提供比常规替代方案更高的优势,例如在装配线上提升和移动物体。 他从斯坦福大学和管理JPL的加利福尼亚理工学院获得了基础技术的许可-这两个团队在工作上进行了合作。

四肢游览机械多用途机器人(LEMUR)在国际空间站外部攀爬的插图。 JPL考虑为LEMUR配备模仿壁虎的抓爪技术。

Perception Robotics赢得了JPL的第一阶段和第二阶段小型企业创新研究合同,以资助进一步的发展。 2018年,该公司与匈牙利机器人传感器公司OptoForce和丹麦公司On Robot合并,后者专门从事基于手指的机器人抓手。壁虎式夹爪几乎在此后立即首次亮相,并于6月开始接受预购,第一批装置已于年底交付。 “与尼克交谈之前,我从未听说过这样的事情,”新合并的公司OnRobot的首席执行官Enrico Krog Iversen说,该公司总部位于丹麦欧登塞,但在加利福尼亚州卡尔弗市附近生产壁虎式抓手。

JPL的工程师花了多年的时间与斯坦福大学的一个团队合作开发了可以模仿脚垫的抓爪,从而使壁虎能够克服重力。

但是他立即看到了它的潜力。 特别是,他看到了印刷电路板制造市场。这些孔开始时有很多孔,因此无法用真空吸盘拾取。大多数电路板制造商都使用手指夹持器,但是Gecko夹持器可以更快地完成工作,并且编程更少。 14磅的抓地力 OnRobot仍在改进该设备并发布新一代产品,但已经走了很长一段路。该夹具在抛光表面上的附着力可达到35至40千帕斯卡,而NASA开始工作时的最大粘附力仅为四或五千帕斯卡。这使其与真空抓具具有竞争力。该公司表示,它可以轻松提起重约14磅的抛光金属。

壁虎式抓取器直接基于NASA和斯坦福大学开发的技术,现已用于制造设施,与传统的抓取器相比,它可以更轻松地移动电路板,太阳能电池板和许多其他光滑物体。

Wettels指出,这种改进部分是因为该公司已经弄清楚了如何在微结构的末端使用甚至更细的卷须,从而增加它们的表面接触。 抓具配有一个超声波传感器以定位其目标,以及一个负载传感器来确定其重量。 它也可以使用与壁虎脚趾相同的技术来激活和取消附着力:微小的纤维以一定的角度伸出,因此只有在正确的方向拉动时它们才可以附着。换种方式,他们将释放他们的保全。 他说:“在贸易展览会上展示它真的很酷,而且人们的眼睛都亮了,就像'哇,那是魔术'。”但他指出,即使是从事机器人或制造业的人也常常不这样做。直观地掌握其用途。 Wettels说,如果它代替文丘里泵(一种依靠压缩空气的普通真空抓取器),则壁虎抓取器将在7至9个月内收回成本。当在剪切机上加载时,它比吸盘式夹持器更坚固,而即将推出的版本在足够低的功率下运行,因此无需外部线,从而提高了移动性。 他说,抓手可轻松抓取任何平坦而光滑的物体,例如电路板,太阳能电池板,玻璃和金属,并且不会在抓取的物体上留下任何痕迹。 随着公司不断改进技术并将其应用于不同的设计中,并且随着越来越多的制造商意识到这一点,Krog Iversen表示,他相信,凭借其优势,它一定会成功。 “它使我们能够处理现有技术无法处理或必须以其他方式处理的应用程序。” NASA在国际空间站进行了长达一年的测试,成功测试了其自身版本的长期抓地能力。通过将壁虎式抓手与Astrobee机器人集成在一起,将在空间站上进一步测试壁虎风格的技术。 Astrobee是一个研究平台,可以进行装配和编程,以在零重力下进行此类实验。 现在管理着JPL登山者和抓手小组的Gareth Meirion-Griffith说,人类工程师无法充分赞扬这项非凡的技术:“如果自然界不敢提出这一点,我认为没有人会想到的。” NASA将技术转让给私营部门的历史悠久。该机构的Spinoff出版物介绍了已转化为商业产品和服务的NASA技术,证明了美国对其太空计划进行投资的广泛利益。 Spinoff是NASA太空技术任务局技术转让计划的出版物。

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