很多人看到巨大的蜈蚣會(huì)嚇得發(fā)抖，而美國(guó)喬治亞理工學(xué)院生物物理學(xué)家Daniel Goldman實(shí)驗(yàn)室卻研究出了這些無(wú)脊椎動(dòng)物如何擅長(zhǎng)在人腳、沙土、巖石甚至水中歡快地奔走。在最近一次學(xué)術(shù)會(huì)議上，他們報(bào)告稱(chēng)已經(jīng)研發(fā)了一種蜈蚣機(jī)器人，有望在田間穿行以清除雜草。

蜈蚣身長(zhǎng)腿多，能進(jìn)行各種運(yùn)動(dòng)。這種節(jié)肢動(dòng)物擁有工程師羨慕的“速度、優(yōu)雅和效率”。盡管如此，它們?nèi)绾我苿?dòng)尚不清楚。

未參加這項(xiàng)工作的美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)生物力學(xué)專(zhuān)家Jake Socha表示，該研究表明靈活性使動(dòng)物有廣泛的行為能力，這些發(fā)現(xiàn)揭示了此前未知的蜈蚣運(yùn)動(dòng)原理。

Goldman一直以來(lái)對(duì)蜈蚣很著迷，但分析它們的運(yùn)動(dòng)幾乎是不可能的，因?yàn)樗鼈冇刑嗟纳眢w節(jié)段和腿需要追蹤。他的博士后Yasemin Ozkan-Aydin此前在《科學(xué)—機(jī)器人》上發(fā)表研究，把兩個(gè)或三個(gè)四足機(jī)器人連接在一起時(shí)，更長(zhǎng)的機(jī)器可以跨越更寬的間隙并爬過(guò)更大的障礙物。這次，他們共同研究蜈蚣運(yùn)動(dòng)。

另一位喬治亞理工學(xué)院本科生Eva Erickson研究了蜈蚣如何改變自己的奔跑方式。Erickson利用一個(gè)名為DeepLabCut的復(fù)雜視頻跟蹤程序發(fā)現(xiàn)，六棘盲蜈蚣會(huì)改變步態(tài)，以適應(yīng)地形的挑戰(zhàn)。

正常情況下，六棘盲蜈蚣的腿像手指在桌子上敲擊一樣擺動(dòng)，但有時(shí)波的方向會(huì)改變。在平面上，波從最后一段開(kāi)始向前移動(dòng)。當(dāng)情況變得“艱難”時(shí)，波就會(huì)反轉(zhuǎn)。蜈蚣前腿首先移動(dòng)以建立立足點(diǎn)，此后每條腿也跟著做，落在與前一條腿完全相同的位置。障礙物越高，蜈蚣越有可能采取這種所謂的逆行運(yùn)動(dòng)。

如果蜈蚣掉進(jìn)水里，它們也可以“游泳”自救。喬治亞理工學(xué)院研究生Kelimar Diaz在研究這種行為時(shí)，發(fā)現(xiàn)蜈蚣會(huì)根據(jù)環(huán)境調(diào)整自己的動(dòng)作。它們通過(guò)擺動(dòng)腿開(kāi)始“游泳”，但隨后迅速將身體從一側(cè)扭轉(zhuǎn)到另一側(cè)，然后向前移動(dòng)。“身體的波動(dòng)產(chǎn)生了正確的力量”。

另一名研究生Baxi Chong分析了腿和身體不同的波是如何同步的。為了預(yù)測(cè)哪種組合效果最好，他使用數(shù)學(xué)建模技術(shù)，該模型產(chǎn)生了大量腿波和體波的組合，之后在一個(gè)蜈蚣機(jī)器人上進(jìn)行了測(cè)試。

Chong給蜈蚣機(jī)器人編程，讓它的腿和身體同步移動(dòng)。但他很快發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)波之間存在滯后時(shí)，機(jī)器人的速度更快。進(jìn)一步測(cè)試顯示，一些組合使機(jī)器人向后移動(dòng)。

Goldman實(shí)驗(yàn)室隨后的研究發(fā)現(xiàn)，如果機(jī)器人的腿是關(guān)節(jié)相連的，而且身體各部分柔韌，那么它的工作效果會(huì)更好。“柔軟對(duì)動(dòng)物和機(jī)器人有很多好處。”Socha說(shuō)，“又長(zhǎng)又瘦的動(dòng)物可以利用波的組合移動(dòng)。”

Goldman的新機(jī)器人非常靈活，下一步是訓(xùn)練它們完成實(shí)際任務(wù)，比如識(shí)別和根除雜草。他與杜克大學(xué)植物發(fā)育生物學(xué)家Philip Benfey合作，計(jì)劃為該機(jī)器人配備人工智能軟件，可以識(shí)別出單個(gè)雜草。兩人設(shè)想機(jī)器人可以通過(guò)注射除草劑、使用激光或放電來(lái)除草。

或許有朝一日，成群結(jié)隊(duì)的機(jī)器蜈蚣將幫助人類(lèi)完成任務(wù)：種植和收獲作物、搬運(yùn)貨物、監(jiān)測(cè)環(huán)境，甚至太空探索。(作者：王方)

關(guān)鍵詞： 蜈蚣機(jī)器人 清除雜草 監(jiān)測(cè)環(huán)境 太空探索