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瑞士科研:灵感来自大象鼻子的机器人

有力、灵活和敏锐的大象鼻子一直是科研人员感兴趣的科研对象。 Keystone

大象的长鼻子是自然界的一大奇迹:虽然没有一根骨头,大象却能用它完成许多惊人的动作。这个大象的嗅觉器官现在为瑞士生物学家和意大利工程师予以灵感,研发一种新型机器人。

此内容发布于 2021年10月12日 - 09:00

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今年8月份日内瓦大学的研究人员宣布,他们破解了大象用它们神奇的鼻子完成一系列动作的原理,这条消息成为一条重磅头条被媒体转载。这一新发现将赋予机器人全新的运动能力。但科学家们的这一想法又是从何而来呢?

"很长时间以来,我们就知道大象的身体有一些特殊性,“该团队的负责人Michel Milinkovitch告诉瑞士资讯swissinfo.ch。这位进化生物学家和生物物理学家是日内瓦大学遗传学和进化系的教授。

“在2018年的一项研究中,我们专注于大象的皮肤,它们的皮肤由一个通道网组成,能很好地调节体温。”科研人员将他们的这一科研成果发表了一篇专业论文,《国家地理》和BBC等知名媒体争相进行了报道,从而引起了一个意大利科研小组的注意。

欧盟出资350万欧元

来自比萨附近Pontedera的意大利技术研究所的机器人专家阅读了这条来自日内瓦的论文,他们也一直对大象感兴趣,但不是对它们的皮肤,而是对大象的长鼻子感兴趣。他们将制造一种机器人手臂,能像大象的鼻子那样工作。

这个技术团队决定设立一个项目,并向欧盟的地平线2020计划申请资金。但在向欧盟提交申请之前,他们先联络了日内瓦大学的Michel Milinkovitch科研组。

“时机正好,”Milinkovitch回忆道:“我在南非能接触到习惯于人类的大象。此外,我们还与能提供死去大象器官的动物园有联系。”瑞士和意大利的研究合作项目正式立项,欧盟委员会从地平线基金中拨款350万欧元。

Michel Milinkovitch和他南非的研究对象。 Sean Hensman

凭借南非的好莱坞技术

Milinkovitch的团队前往南非的比勒陀利亚,在他们的行李中,有一些实际上只在好莱坞作品中才用得上的设备,例如,用于将《阿凡达》中的外星人或动画片《丁丁》中的人物做得栩栩如生的动画技术。

反射器和摄像机用来记录运动模式。研究人员将反射器贴在经过一定训练的大象身上,然后他们用高精度摄像机记录下象鼻的运动。这些数据最终在电脑中被转换为3D模式。

得出的结果非常惊人:大象可以用它们的鼻子完成将近20个基本动作-从扭转、弯曲、伸展、缩短到伸直。它们可以采摘花朵而不将其损坏;可以轻易举起重达300公斤的物体;或吸入液体并将其喷吐出来,所有这些动作都可以用没有一块骨头的象鼻完成。

回到瑞士后,研究人员利电脑和磁共振断层扫描技术对两头已故动物园大象的象鼻的不同肌肉进行了观察。通过这些观察结果和在南非获得的信息,他们得以在电脑模型中准确地再现了象鼻的三维运动过程。8月他们将研究成果发表在《当代生物学》杂志上。

>>5分钟视频:Michel Milinkovitch及其团队的工作(英文)

外部内容

多用途的应用

“现在轮到工程师们了,”Milinkovitch说:“我们已经将动作进行了描述和量化,意大利同事们可以开始制造机械臂了。”

我们的目的不是一对一地复制大象的运动模式,而是从中受到启发。“就像飞机一样,机翼让人联想到鸟的翅膀,但我们都知道,机翼在飞行的时候不需像鸟儿一样拍打翅膀。这就是我们所说的‘生物灵感系统’“。

同样,制造出一个带有许多发动机、能够完成将近20种基本动作的人工象鼻也是不可能的,“但或许5种动作,是可以实现的。”

研究人员的想法是开发一种灵活的机械臂,能够识别、触及、抓取、控制和松开一系列物体。这种机器臂的应用范围很广,“例如,可以用于复杂的物品分类;作为自然灾害地区救援人员的支持;或作为老年人的帮手。"

柔软是一种挑战

对于Milinkovitch和他的团队来说,尚未大功告成,这位生物物理学家说,他们还需对一些运动的排序进行模式化。而当有了第一台机器人以后还必须做出分析,将机器人与象鼻进行比较,并进行编程。

"我们知道,在机器人领域,接触面起着核心的作用。问题是:如何能将金属构成的人造手造得如此柔软,以至于它能采摘花朵而不将其损坏。”

日内瓦小组在大象皮肤的研究中获得的经验或许能应用于此。 “大约18个月后,第一个机械手原型应该出来了,”这位教授估计,已经有几家公司对他们的工作表现出兴趣。

不容错过的研究

Milinkovitch的这两个关于大象的研究项目,其实已经偏离了他在生物学方面的专业领域。他的出版清单很长,而且种类繁多:除此之外,变色龙用来改变颜色的光子晶体、鲸鱼祖先的基因指纹和加拉帕戈斯巨龟等,都是他的研究课题。

“今天的科学 ‘过于分化”’,科研工作者必须选择出界限,而这些界限往往是人为的,而大自然往往也不受限于这些界限。”

Michel Milinkovitch

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Milinkovitch是跨学科研究的坚定支持者,也是实践者。对他来说,今天的科学 “过于分化”。

“科研工作者必须选择出界限,而这些界限往往是人为的,而大自然往往也不受限于这些界限。"

问题是,科学家往往“不知道”其他学科的基本原理。“当我在黑板上写下一个方程式时,我的学生会莫名其妙,因为他们以为自己在上数学课。但我是想以此告诉他们,方程式往往是描述一个现象的最简单方法。”

“的确,在大象鼻子启发下制作出机器人,与我们平常的科研项目相比,很不寻常,”Milinkovitch承认:“但我就是无法拒绝这个项目,因为它太有意思了。”

(译自德文:杨煦冬)

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