商用機器人複製壁虎的腳趾

壁虎的秘密很快就被破解,人類開始努力複製它。 亞倫·帕內斯(Aaron Parness)說:“這是已經存在了很長時間的謎團之一,直到最近才在加利福尼亞州帕薩迪納市的美國宇航局噴氣推進實驗室管理著機器人登山者和抓手小組。 亞里士多德是第一個問世的人,他問壁虎如何能夠在開放的反重力下在表面上上下竄動,但是任何人看著六英寸的蜥蜴越過天花板都會感到奇怪。直到20年前,希臘哲學家的問題才得到回答,部分原因是秘密在於亞里斯多德死後幾千年後發現的一種物理力。 範德華力是可極化分子之間的弱靜電吸引力。 壁虎的腳趾墊乘以這種微小的吸引力。每個護墊大約有100萬根頭髮,由類似於人發的角蛋白製成,但稀疏得多。它們中的每一個都以數百根更細的納米毛作為末端,以最小的壓力創造了令人難以置信的表面積,完全符合其接觸的任何表面的最小特徵。足夠的表面接觸,範德華力就變得很重要。 這個概念很簡單,但是重新創建這樣的表面卻並非如此。


商用機器人複製壁虎的腳趾

壁虎的腳趾板具有數百萬個微小的毛髮,這些毛髮利用弱電吸引力(稱為範德華力)使蜥蜴即使在最光滑的表面也能結垢。

當Parness於2010年到達JPL時,即科學家揭開壁虎之謎的十年之後,他已經在斯坦福大學讀研究生,當時正在從事類似壁虎的人體攀巖技術研究(蜘蛛俠手套仍處於原型階段)。 NASA對這種用於太空作戰的抓握技術感興趣。他說:“在微重力中移動比起行走問題更像是一個攀爬問題,”他指出,壁虎狀的墊子易於使用且耐輻射,並且它們不會依賴吸盤或其他真空技術。在真空中無用。 尼克·維特爾斯(Nick Wettels)於2013年以博士後身份加入Parness小組時,這項工作已轉向抓緊衛星進行軌道維修。 Wettels現在是OnRobot的研發總監,OnRobot是第一家提供基於壁虎腳趾墊的商用機械手的公司。當時,他領導著他最近共同創立的Perception Robotics公司。 在完成JPL博士後工作之後,隨著公司專注於開發標準化產品,他說:“機械手確實是最佳人選。”他看到了自動化製造的潛力,在這種情況下,這種工具可以提供比常規替代方案更高的優勢,例如在裝配線上提升和移動物體。 他從斯坦福大學和管理JPL的加利福尼亞理工學院獲得了基礎技術的許可-這兩個團隊在工作上進行了合作。


商用機器人複製壁虎的腳趾

四肢遊覽機械多用途機器人(LEMUR)在國際空間站外部攀爬的插圖。 JPL考慮為LEMUR配備模仿壁虎的抓爪技術。

Perception Robotics贏得了JPL的第一階段和第二階段小型企業創新研究合同,以資助進一步的發展。 2018年,該公司與匈牙利機器人傳感器公司OptoForce和丹麥公司On Robot合併,後者專門從事基於手指的機器人抓手。壁虎式夾爪幾乎在此後立即首次亮相,並於6月開始接受預購,第一批裝置已於年底交付。 “與尼克交談之前,我從未聽說過這樣的事情,”新合併的公司OnRobot的首席執行官Enrico Krog Iversen說,該公司總部位於丹麥歐登塞,但在加利福尼亞州卡爾弗市附近生產壁虎式抓手。


商用機器人複製壁虎的腳趾

JPL的工程師花了多年的時間與斯坦福大學的一個團隊合作開發了可以模仿腳墊的抓爪,從而使壁虎能夠克服重力。

但是他立即看到了它的潛力。 特別是,他看到了印刷電路板製造市場。這些孔開始時有很多孔,因此無法用真空吸盤拾取。大多數電路板製造商都使用手指夾持器,但是Gecko夾持器可以更快地完成工作,並且編程更少。 14磅的抓地力 OnRobot仍在改進該設備併發布新一代產品,但已經走了很長一段路。該夾具在拋光表面上的附著力可達到35至40千帕斯卡,而NASA開始工作時的最大粘附力僅為四或五千帕斯卡。這使其與真空抓具具有競爭力。該公司表示,它可以輕鬆提起重約14磅的拋光金屬。


商用機器人複製壁虎的腳趾

壁虎式抓取器直接基於NASA和斯坦福大學開發的技術,現已用於製造設施,與傳統的抓取器相比,它可以更輕鬆地移動電路板,太陽能電池板和許多其他光滑物體。

Wettels指出,這種改進部分是因為該公司已經弄清楚瞭如何在微結構的末端使用甚至更細的卷鬚,從而增加它們的表面接觸。 抓具配有一個超聲波傳感器以定位其目標,以及一個負載傳感器來確定其重量。 它也可以使用與壁虎腳趾相同的技術來激活和取消附著力:微小的纖維以一定的角度伸出,因此只有在正確的方向拉動時它們才可以附著。換種方式,他們將釋放他們的保全。 他說:“在貿易展覽會上展示它真的很酷,而且人們的眼睛都亮了,就像'哇,那是魔術'。”但他指出,即使是從事機器人或製造業的人也常常不這樣做。直觀地掌握其用途。 Wettels說,如果它代替文丘裡泵(一種依靠壓縮空氣的普通真空抓取器),則壁虎抓取器將在7至9個月內收回成本。當在剪切機上加載時,它比吸盤式夾持器更堅固,而即將推出的版本在足夠低的功率下運行,因此無需外部線,從而提高了移動性。 他說,抓手可輕鬆抓取任何平坦而光滑的物體,例如電路板,太陽能電池板,玻璃和金屬,並且不會在抓取的物體上留下任何痕跡。 隨著公司不斷改進技術並將其應用於不同的設計中,並且隨著越來越多的製造商意識到這一點,Krog Iversen表示,他相信,憑藉其優勢,它一定會成功。 “它使我們能夠處理現有技術無法處理或必須以其他方式處理的應用程序。” NASA在國際空間站進行了長達一年的測試,成功測試了其自身版本的長期抓地能力。通過將壁虎式抓手與Astrobee機器人集成在一起,將在空間站上進一步測試壁虎風格的技術。 Astrobee是一個研究平臺,可以進行裝配和編程,以在零重力下進行此類實驗。 現在管理著JPL登山者和抓手小組的Gareth Meirion-Griffith說,人類工程師無法充分讚揚這項非凡的技術:“如果自然界不敢提出這一點,我認為沒有人會想到的。” NASA將技術轉讓給私營部門的歷史悠久。該機構的Spinoff出版物介紹了已轉化為商業產品和服務的NASA技術,證明了美國對其太空計劃進行投資的廣泛利益。 Spinoff是NASA太空技術任務局技術轉讓計劃的出版物。


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