亡蛛复活,「死灵机器人」竟抓走了同类

死而复生的蜘蛛,变成了「死灵机器人」。

看过《异星灾变》的,必然会立刻想到阿谁令人恐惧的唤灵者。

但此死灵机器人非彼。

它号称蛛界的「举重冠军」!

不仅能够拿起不规则物体,比如电子零部件。

还能将同伴轻而易举地举起。

好奇怪,再看一眼[doge]

这项研究便是莱斯大学科学家的最新发现。

只需要一根针和一些空气,就能让狼蛛机器人举起其体重130%的物体。

最重要的是,它可以承受近1000次的开合循环。

目前,最新研究成果已颁发在Advanced Science上。

论文地址:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202201174

这究竟是如何实现的呢?

如何制作一只「僵尸蜘蛛」

说来也简单,整体就两步:

第一步安泰死,第二步插入针管后封口。

为了开始研究,合适的蜘蛛尸体必不成少。

研究人员将一只狼蛛表露在冷冻温度(约-4℃)下5~7天,获得了抱负的样本。

同时用电子显微镜扫描了狼蛛髌骨股关节的图像,具体地展现了关节膜的样子。

这进一步给研究人员提供了灵感。

接下来,制作一个坏死的机械手只需要一个简单的步骤:

那就是将针头插入已死亡狼蛛的前肢区域,然后用胶水将针头固定在蜘蛛的身体上,最终形成一个密闭的圆圈。

神奇的事,这里不需要做任何操作,胶水就可以自动落到针头和狼蛛的接面上去。

这是因为三个阶段的能量最小化(the minimization of energy in three phases)。

首先,胶水液滴被注射到针头的一侧,附着在上面,使针头表面的能量最小化。

第二,胶水沿着针头向下移动,在重力的作用下接触到蜘蛛的角质层(或者叫外骨骼)的表面。

最后,当接触完毕时,胶水液滴会沿着针头和蜘蛛角质层的接面形成半月形状的一滩。最终,胶水在固化后就会形成气密性密封。

如下图所示,

插入针头到滴胶水的整个过程,可以在大约10分钟内完成。由此,研究人员就制得了一个完全可以操作的抓取器。

研究人员在纸上模仿了这种自密封机制。纸张模仿了蜘蛛角质层的特性,又用了相似的针头插在了纸上。

然后他们用一滴染成了蓝色的胶水滴在纸上,成功复现了气密性密封。

这样做是为了证明,胶水滴在蜘蛛外骨骼和针的接面上并扩散,确实能达到动态能量最小化。

同时,研究人员还用SEM对蜘蛛上针头的插入点进行了成像,以显示针和角质层之间的密封性。

研究人员选择了蜘蛛的前肢,因为前肢的外骨骼比腹部更加坚硬。

又因为蜘蛛的腿只包含屈肌,在蜘蛛死掉以后,由于缺乏静水压力(静水压力在蜘蛛活着的时候由前肢的肌肉产生),蜘蛛的腿会向身体弯曲。

最后,在胶水凝固后(该研究使用的是氰基丙烯酸酯胶水,约10分钟凝固),将注射器连接到皮下注射针头的鲁尔锁端(Luer lock)。这样就完成了蜘蛛死体抓取器的制作。

这样,当没有压力施加到机械手上时,蜘蛛尸体的腿部会自然保持向内弯曲。这种状态被研究人员称为抓取的「中性状态」。

而当研究人员通过注射器加入压力时,腿部就会向外延伸启动,机械手打开。

是不是很神奇?

这是因为蜘蛛「生前」会通过主动收缩前肢的肌肉来增加内部的液压,从而把腿伸出来。

而研究人员用蜘蛛尸体做的「机械手」,实际上就是用外部气压变化取代了蜘蛛主动地血淋巴压力调节机制。

总而言之,当蜘蛛内部的压力比大气压高的时候,就会「蹬腿」,反之就会把腿收起来。不管压力的改变是蜘蛛活着的时候自发的,还是报答进行加减。

上图则是研究人员测试出的「僵尸蜘蛛」的抓力。通过对比八个不同的抓取压力结果发现,抓取压力的增加会导致抓取力的下降。

3年前的偶然,成灵感来源

研究亡蛛软体机器人的想法可以说是一个偶然。

并且早在3年前便开始了。

2019年,Daniel Preston在赖斯大学机械工程系建立了本身的实验室后,便开始了这个项目。

论文一作Te Faye Yap称,当时我们正往实验室搬东西,便注意到了走廊边上一直蜷缩的蜘蛛。

这激起了Yap的好奇心,「为什么蜘蛛死后会蜷成一团?」

经过一番调研,答案也浮出水面:

蜘蛛是没有对抗肌对,就像人类上臂肌肉,比如肱二头肌和肱三头肌,而它们只有屈肌。

说白了,蜘蛛本体就缺少能让腿伸直的伸肌,却有让腿弯曲的屈肌。

当蜘蛛需要伸直腿时,得依靠腿部的「液压系统」。

这个系统就像打针用的注射器一样,充满液体时推杆会往外推,使腿伸直。

当蜘蛛死后,它的体液会逐渐流失,腿无法再伸直,就在屈肌的作用下往回缩了。

这太有趣了!莱斯大学成员们灵机一顿,希望找到一种方法来利用这一机制。

Daniel Preston称,蜘蛛液压关节使其能够单独控制每条腿,而死去的蜘蛛是无法控制这些阀门,这也是未来研究的主题。

因此,这对我们的研究有利,因为亡蛛让我们可以同时控制所有的腿。

这项看起来很酷又让人惊悚的项目,研究意义安在?

毕竟做的就是机器人,当然主要的应用还是办事于人类。

比如,让其挑选放置物体,做重复性任务,小范围内对物体进行分类和移动,甚至还可以进行微电子组装等类似的任务。

就比如能操作电路板,关闭LED灯。

别的一个应用便是,让死灵蜘蛛机器人去捕捉自然界较小的昆虫,利用其本体就是天然的伪装高手。

并且,蜘蛛本身就易于生物降解,因此在研究过程中,并不会产生大规模的废物流。

但是,这个实验对有些人来说听起像是一场噩梦,同时也面临着道德的谴责。

正如Preston称,软体机器人这一领域研究非常有趣,因为我们可以使用以前从未开发过的驱动和材。当前,蜘蛛便是隐藏这一巨大潜力技术的原材。

作者介绍

论文一作Te Faye Yap目前莱斯大学机械工程的博士研究生,导师便是这次论文通讯作者Daniel Preston教授。

此前,她曾在路易斯安那大学拉菲特分校取得了机器工程学士学位。

Daniel Preston博士在2012年在阿拉巴马大学获得了机械工程学士学位,之后别离在2014年和2017年取得了MIT的硕士和博士学位。

目前,他是莱斯大学创新实验室(PI Lab)的领导者,并在本年5月获得了NSF职业奖。

大自然本身就做得很好。时至今日,科学借用和「偷取」大自然去进步。

有网友表示,某一天,就会上身人类了吧。

参考资:

https://news.rice.edu/news/2022/rice-engineers-get-grip-necrobotic-spiders

“新智元”(ID:AI_era),作者:新智元,编纂:拉燕 桃子 好困,经。

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