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| 本文作者： 林杰鑫 | 2022-08-03 15:09 |
蜘蛛從天而降，穿過(guò)紅外線密布的場(chǎng)景，盜取寶石，這種科幻電影中才有的場(chǎng)景，在近日成為了可能。
如果跟你講，使用一些小道具，就算是小學(xué)生也能讓死去的蜘蛛復(fù)活，實(shí)現(xiàn)類似于科幻片中的場(chǎng)景，你心動(dòng)了嗎？
近日，來(lái)自美國(guó)萊斯大學(xué)的一群瘋狂研究員通過(guò)針筒和膠水，成功地將一只死去的蜘蛛改造成為機(jī)械抓手，也就大家常說(shuō)的蜘蛛機(jī)械手。
重獲“新生”的蜘蛛機(jī)器人保留了其“舉重冠軍”的能力，能舉起其體重130%的物體，并且能承受近1000次的循環(huán)開(kāi)合。
在實(shí)驗(yàn)室里，蜘蛛機(jī)械手被用來(lái)營(yíng)救被困的同伴。（doge）
變身電工師傅。
甚至是，扮演流水線中抓取物品的無(wú)情機(jī)械手。
看了這么多，想必大佬們也手癢癢想自己做一只蜘蛛機(jī)械手了~
要制作一只蜘蛛機(jī)械手是一件非常簡(jiǎn)單的事，我們僅需準(zhǔn)備三樣物品：蜘蛛*1，氰基丙烯酸酯膠水（502膠水即可）*1，針筒*1。
涉及到的步驟僅有兩步：1、將蜘蛛安樂(lè)死；2、將針筒通過(guò)膠水安裝到蜘蛛身上并形成氣密性封閉。
核心原理是將蜘蛛的動(dòng)力系統(tǒng)由原來(lái)的液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛舍樛蔡峁┑臍鈮候?qū)動(dòng)。
簡(jiǎn)單說(shuō)，這個(gè)核心原理有點(diǎn)像我們平時(shí)吹氣球。我們將針頭插到蜘蛛身上，推動(dòng)活塞將針筒里面的氣體輸送到蜘蛛體內(nèi)的時(shí)候就相當(dāng)于我們向氣球里面吹氣，針筒往回收則相當(dāng)于我們將氣球里面的氣吸回來(lái)。膠水則是起到固定針筒以及防止漏氣的作用。
了解完原理，讓我們正式進(jìn)入蜘蛛機(jī)械手制作的第一步。將蜘蛛安樂(lè)死，獲得一具完好的蜘蛛尸體。
實(shí)驗(yàn)室人員通過(guò)將蜘蛛暴露在-4℃的低溫環(huán)境中5~7天實(shí)現(xiàn)了蜘蛛的安樂(lè)死，獲得了像圖中這樣蜷縮成一團(tuán)的蜘蛛。這種處理方式所獲得的蜘蛛尸體在電子顯微鏡的掃描下被證實(shí)為當(dāng)前最佳的方案。
第二步：用膠水將針筒固定到蜘蛛體表上并實(shí)現(xiàn)氣密性封閉。
在這里，我們將針頭插入到靠近前肢的位置，這個(gè)位置是蜘蛛生前運(yùn)動(dòng)時(shí)液壓產(chǎn)生的位置同時(shí)也是外骨骼較為堅(jiān)硬的地方，用來(lái)安裝蜘蛛的新動(dòng)力源“針筒”再合適不過(guò)。
接下來(lái)便是將膠水滴到針頭上，讓其在重力的作用下自然流淌到蜘蛛體表并形成一個(gè)半月灘，在這之后靜置10分鐘，等膠水固定之后，你就可以獲得一只屬于自己的蜘蛛機(jī)械手了。
在這一步，覺(jué)得自己手殘，擔(dān)心手抖的小伙伴們可以先拿普通的A4紙進(jìn)行練習(xí)，因?yàn)锳4紙的表面就跟蜘蛛的表面一樣糙。
通過(guò)上面驚心動(dòng)魄的10分鐘，你也是一名生物改造家了，一只在常態(tài)下爪子閉合，有氣壓時(shí)爪子張開(kāi)的蜘蛛機(jī)械手就做好啦
在你把蜘蛛機(jī)械手玩壞變成上面這樣之前，讓我們先了解下我們制作的蜘蛛機(jī)械手的屬性，防止一不小心把它折騰壞了。
假如你跟實(shí)驗(yàn)室小組用了同款蜘蛛制作機(jī)械手，那么你手頭的機(jī)械手大概率跟實(shí)驗(yàn)組測(cè)得的數(shù)據(jù)相近，小伙伴可以參考這些數(shù)據(jù)了解到自己制作的機(jī)械手大致的使用場(chǎng)景。
首先為防止用力過(guò)猛，把蜘蛛機(jī)械手搞壞。小伙伴們可以了解下，實(shí)驗(yàn)所用的狼蛛在活著的時(shí)候，腿部的典型壓力為4.0kPa至6.1kPa，所以推下針筒的時(shí)候不宜大力出奇跡，不然就會(huì)像吹爆氣球一樣，把蜘蛛給吹爆了~
夾持力方面，正如開(kāi)頭所說(shuō)的那樣，用于實(shí)驗(yàn)的蜘蛛為蜘蛛界的大力士“狼蛛”，其夾持力范圍在0.02毫牛~0.35毫牛之間，小伙伴可以理解為它可以抓起來(lái)一顆頭孢~
其次，實(shí)驗(yàn)的蜘蛛本體質(zhì)量為33.5毫克，但可以抓起質(zhì)量1.34倍于自身的另一只蜘蛛同伴，舉重能力杠杠的。
遇到體積遠(yuǎn)大于自身2.6倍的泡沫塊，蜘蛛抓手亦能輕松拾取，其中位于蜘蛛腿上的纖毛提供了巨大的幫助。
如果你用于制作蜘蛛機(jī)器手的蜘蛛品類跟研究人員所用的品類不同，你可以通過(guò)研究人員的另一項(xiàng)小研究了解到蜘蛛質(zhì)量與其力量的關(guān)系，方便了解到不同蜘蛛品類的力量屬性。
根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)分析，實(shí)驗(yàn)人員預(yù)測(cè)“較小的蜘蛛能夠承擔(dān)超過(guò)其體重的重量”。
在實(shí)驗(yàn)的參考對(duì)象中，質(zhì)量為25mg的跳蛛將能夠施加超過(guò)其自身重量200%的抓握力，嗯，抓起來(lái)幾個(gè)小硬幣。相比之下，Theraphosidae家族的歌利亞食鳥狼蛛，其質(zhì)量為200克，只能抓住一個(gè)自身重量約10%的物體，大約是4個(gè)雞蛋的重量。
就像工廠里的機(jī)械設(shè)備需要定期保養(yǎng)以延長(zhǎng)使用壽命一樣。蜘蛛機(jī)械手同樣需要進(jìn)行進(jìn)行保養(yǎng)，以此提高使用壽命。
科研人員在使用壽命測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，蜘蛛機(jī)械手在1000次循環(huán)開(kāi)合后，由于蜘蛛死亡后身體脫水，隨著身體水分的減少，蜘蛛腿的髕股關(guān)節(jié)處失去潤(rùn)滑，開(kāi)始出現(xiàn)機(jī)械性骨折。
目前，較為研究人員通過(guò)在蜘蛛身上涂蜂蠟的方式可以減弱蜘蛛身體水分的流失。具有涂層的蜘蛛其水分流失量在10天內(nèi)要比沒(méi)有涂層的蜘蛛少17%?？磥?lái)經(jīng)常潤(rùn)滑關(guān)節(jié)，減少水分流失，研發(fā)新涂層來(lái)延長(zhǎng)蜘蛛機(jī)器手的使用壽命也是很有必要的。
到這里，我們已經(jīng)基本學(xué)會(huì)了包括一只蜘蛛機(jī)械手的制作。關(guān)于蜘蛛機(jī)械手能夠?yàn)槲覀兲峁┰鯓拥膸椭芯咳藛T提出了在蜘蛛機(jī)械手上安裝智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)蜘蛛機(jī)械手能夠自動(dòng)夾取物體的功能，最終讓其參與到戶外的生物研究當(dāng)中。
順著研究人員的思路，我們不妨嘗試將這些蜘蛛機(jī)械手鼓搗一下，看一看怎樣改裝蜘蛛機(jī)械手能滿足研究人員的想法。
首先，為了讓蜘蛛具備自動(dòng)夾取的功能，我們需要準(zhǔn)備下面這些玩意：
傳感器：用于輔助定位
改裝過(guò)的針筒：實(shí)際上就是微型氣缸，通過(guò)繼電器的信號(hào)實(shí)現(xiàn)針筒自行活塞運(yùn)動(dòng)
一塊單片機(jī)：給蜘蛛安一個(gè)大腦，告訴蜘蛛機(jī)械手該往哪里走
移動(dòng)支架：讓蜘蛛在X/Y/Z軸的三維立體空間內(nèi)有移動(dòng)能力
然后，小編也簡(jiǎn)單的找了一些素材，進(jìn)行拼湊。最后，小編做出來(lái)的蜘蛛機(jī)械手是下面圖片這樣的。
嗯，用來(lái)做娃娃機(jī)其實(shí)也挺好的，小伙伴們可以用這個(gè)玩意來(lái)一場(chǎng)自制蜘蛛機(jī)械手大PK，看看誰(shuí)的機(jī)械手在規(guī)定時(shí)間內(nèi)抓到的娃娃多。
當(dāng)然，嚴(yán)謹(jǐn)一點(diǎn)的改裝，可以讓蜘蛛機(jī)械手變身工廠流水線里面的機(jī)械手，小伙伴們可以將動(dòng)圖里面的機(jī)械手腦補(bǔ)成蜘蛛。
畢竟，我們現(xiàn)在所使用的機(jī)械手的大部分靈感同樣來(lái)自于蜘蛛，這一次算是機(jī)械手的老祖宗親自上陣了。
借鑒了工廠流水線機(jī)械手的思路，我們成功讓蜘蛛機(jī)械手擁有了自動(dòng)抓取物體的功能。當(dāng)我想實(shí)現(xiàn)研究人員的下一個(gè)想法，實(shí)現(xiàn)改裝蜘蛛機(jī)械手讓其能夠偽裝到野外協(xié)助研究的時(shí)候，我發(fā)現(xiàn)，上面這一套設(shè)備好像過(guò)于笨重了。
而如果想為蜘蛛機(jī)械手設(shè)計(jì)一套集成到其體內(nèi)的精密智能系統(tǒng)，當(dāng)下的制造業(yè)似乎無(wú)法滿足需求。我們現(xiàn)階段的制造業(yè)普遍在造大家伙特別在行，在需要制造微型的東西的時(shí)候，卻有著很多需要突破的方面，其中組裝就是一大攔路虎。
就好像，我們讓機(jī)械臂去舉起一粒鹽，那是不可能的。但小編忽然想到蜘蛛去舉起一粒鹽，它好像又可行了？想到這里的時(shí)候，小編意識(shí)到，既然上面的改裝能讓蜘蛛機(jī)械手參與到流水線生產(chǎn)當(dāng)中，那么為何不用蜘蛛機(jī)械手為改裝蜘蛛機(jī)器人提供服務(wù)？
蜘蛛機(jī)械手的出現(xiàn)似乎給多年徘徊在微觀加工也門口的制造業(yè)打開(kāi)了另一扇大門。
原因是蜘蛛自身的體積夠小，小到它給現(xiàn)在制造業(yè)的微觀加工提供了一個(gè)新的方向。借助對(duì)蜘蛛機(jī)械手的研究，生產(chǎn)微型氣動(dòng)機(jī)械手，從而實(shí)現(xiàn)小型零部件的組裝。
【 圖片來(lái)源：嗶哩嗶哩 所有者：胡取自定義 】
根據(jù)記錄，世界上目前已知最小的蜘蛛為施展蜘蛛，其體長(zhǎng)約0.43毫米，比印刷體的句號(hào)還要小。如果成功將其改裝為蜘蛛機(jī)械手，那么我們就有可能實(shí)現(xiàn)小到0.01毫米的設(shè)備的構(gòu)建。
這似乎聽(tīng)起來(lái)很玄幻，比如去哪里找到那么小的氣缸？這個(gè)不用擔(dān)心，人類目前已經(jīng)能加工出微米級(jí)別的事物，只是面對(duì)這些小物件我們?nèi)狈δ軌蜃杂梢苿?dòng)組裝他們的設(shè)備。蜘蛛機(jī)械手的出現(xiàn)則是提供了操作極小事物的可能。
也許真的有一天，這套蜘蛛智能系統(tǒng)被人研發(fā)出來(lái)了，然后有人diy成智能蜘蛛機(jī)器，就像這個(gè)動(dòng)圖里面的螞蟻一樣，去撿個(gè)鉆石過(guò)來(lái)，貌似也不錯(cuò)。
當(dāng)然，上面關(guān)于蜘蛛機(jī)器人的搭建對(duì)于我們來(lái)說(shuō)比較遙遠(yuǎn)。我們還可以用普通的蜘蛛機(jī)械手做一些有趣的事情。
比如像上面的玩具手一樣，我們可以通過(guò)蜘蛛機(jī)械手實(shí)現(xiàn)疫情時(shí)代下的“無(wú)接觸出門”，雖然大概率會(huì)成為路人眼中的奇葩，鄰居小孩眼里的怪叔叔。
目前人類發(fā)現(xiàn)的蜘蛛種類超過(guò)4萬(wàn)種，這里面不乏有一些身懷絕技的蜘蛛。比如能夠水上漂的捕魚蛛、能夠在海底深處自由行走的海蜘蛛。這些蜘蛛經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的改造統(tǒng)統(tǒng)能幫我們做一些有意思的事情。
海底探測(cè)蛛
我們都知道海洋占據(jù)了地球70%的面積，而人類對(duì)海洋的探索卻不足5%。普通潛水艇下潛到1500米的深度可能就開(kāi)始扁了，但海蜘蛛這種奇特的生物卻能在3600米的海底自由活動(dòng)。
以往我們通過(guò)密度超強(qiáng)的金屬硬扛壓強(qiáng)，造價(jià)過(guò)高。在看BBC紀(jì)錄片的時(shí)候，我們經(jīng)?？吹娇蒲腥藛T將攝像頭偽裝成各種動(dòng)物，借此能夠完美偽裝到被觀測(cè)的群體當(dāng)中。
如今我們可以嘗試將目光投向海蜘蛛，經(jīng)過(guò)一番改造，在蜘蛛的尾部安裝一個(gè)小型推進(jìn)器之類的物件，賦予其死亡后仍可行動(dòng)的能力，在其頭部安裝探測(cè)儀，借助海蜘蛛的視角觀測(cè)海底世界、甚至是采集海底物資。
蜘蛛釣魚竿
捕魚蛛是天生的捕魚能手，其依靠腿部的絨毛能在水上站立、甚至不需要魚餌，僅通過(guò)腿部震動(dòng)，捕魚蛛就能吸引到魚兒前來(lái)。那么，將捕魚蛛改造一下，就能夠獲得像實(shí)驗(yàn)室人員期待的那樣，讓實(shí)驗(yàn)成果參與到野外的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中。
同樣的道理，我們跟之前改造的手法一樣。這次我們將釣魚竿的魚鉤換成捕魚蛛，然后再在其身體上安裝傳感器，用于探測(cè)水里的魚，同時(shí)給蜘蛛的爪子進(jìn)行武裝使其變得尖銳。當(dāng)魚靠近蜘蛛時(shí)，傳感器接收到信號(hào)，氣動(dòng)開(kāi)關(guān)自動(dòng)閉合，完成捕魚的過(guò)程。emmm，過(guò)程是不是有點(diǎn)不夠科研？但目標(biāo)算是完成了。
蜘蛛機(jī)械手的誕生源于作者Te Faye Ya在搬離實(shí)驗(yàn)室時(shí)的一個(gè)思考。在搬離實(shí)驗(yàn)室的時(shí)候，Te Faye Ya發(fā)現(xiàn)一只死亡的蜘蛛，同時(shí)提出了為甚蜘蛛死后身體會(huì)蜷縮成一團(tuán)這一問(wèn)題。最終演變到將死去的蜘蛛復(fù)活成蜘蛛機(jī)械手。發(fā)明創(chuàng)造的靈感往往源自于我們生活中被我們忽略的細(xì)節(jié)。
蜘蛛機(jī)械手的研究，對(duì)于機(jī)械手的研發(fā)是不可多得的寶貴經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于生物學(xué)來(lái)講，同樣是一次非凡的探險(xiǎn)。我們還可以借助3D打印的技術(shù)還原出蜘蛛的身體，推動(dòng)軟體機(jī)器人領(lǐng)域的研究、
即便現(xiàn)在，蜘蛛機(jī)械手的科研成果在目前或者在未來(lái)幾年里還會(huì)局限于實(shí)驗(yàn)室的場(chǎng)景，但從參考蜻蜓制作飛機(jī)到從魚身上獲取靈感發(fā)明潛艇，再到以蜘蛛為靈感改進(jìn)機(jī)械手。仿生學(xué)在人類科技文明的發(fā)展中擁有著至關(guān)重要的作用。
或許在某一天，蜘蛛機(jī)械手和蜘蛛機(jī)器人真的會(huì)來(lái)到我們身邊，而現(xiàn)在，就是我們見(jiàn)證這個(gè)奇跡開(kāi)始的時(shí)候。
目前，萊斯特大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)將這項(xiàng)研究發(fā)表在《Advanced Science》上，感興趣的小伙伴們同樣可以去做深入了解。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202201174
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