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无袖长衫蟑螂

无袖长衫蟑螂图片来源:Tom Libby, Kaushik Jayaram和Pauline Jennings。由加州大学伯克利分校PolyPEDAL实验室提供

以蟑螂为原型的小型机动机器人可以部署在灾区寻找人类幸存者。


成绩单

Cockroach-inspired工程。我是鲍勃·赫森,这里是《科学更新》。

生物工程师罗伯特·富尔(Robert Full)想要制造一种快速、可操作、几乎坚不可摧的机器人。所以他把它建立在一种快速,机动,几乎坚不可摧的生物上:蟑螂。在加州大学伯克利分校的实验室里,Full发现蟑螂可以挤进不到自己身高一半的空间。然后,令人惊讶的是,在这些空间里奔跑。

完整的
它们可以继续移动,即使它们被压缩成两半,它们的腿完全向一侧展开;它们可以继续以每秒20个体长的速度奔跑,所以这是一个非常高的速度。

美国国家科学院院刊他描述了一种类似蟑螂的结构,由带有弹性连接器的刚性部分构成。他的目标是制造出能在灾难后通过废墟中的狭窄地带并找到被困人员的救援蟑螂。我是美国科学促进会的鲍勃·赫森。manbetx注册与登录


研究的意义

人们通常认为蟑螂几乎是坚不可摧的。再加上它们能够快速移动并挤进狭小的空间,你就能明白为什么很多人害怕它们了。

然而,加州大学伯克利分校的研究人员对蟑螂印象深刻,他们甚至通过研究蟑螂,试图弄清楚它们是如何在最小的空间里移动得如此迅速的。他们想把从蟑螂身上学到的东西应用到新技术的设计中,从而有可能帮助解决人类的问题。

这种研究和设计被称为仿生学,它是一种比较新的科学实践,即研究自然界中的系统和元素,并用它们来解决现代人类的问题。罗伯特·富尔解释说:“人们通常认为,仿生学就是观察自然,然后以某种方式复制它。事实证明,这要困难得多。因为生物体并不是优化设计的,我们必须做非常严格的研究,以理解它们的进化历史和它们的设计妥协,这样我们才能提取出普遍的原则,并能够给工程师们提供尽可能好的建议。”

这就是这些研究人员对蟑螂所做的。Full博士和Kaushik Jayaram博士在一个受控的环境中研究了美国蟑螂,在那里他们可以对这些蟑螂进行一系列测试,以评估它们的能力。例如,蟑螂能穿过障碍,能挤过四分之一身体高度的空间(相当于两个叠起来的硬币的高度),能以最快的速度跑过狭小的空间。即使在这些狭小的空间里被压缩,当它们的腿向两侧张开时,它们也能以每秒20个身长的速度奔跑。根据Full医生的说法,这就像是人类在以每小时70英里的速度冲刺。

除了这些能力外,蟑螂似乎还能承受近900倍于自身体重的压力。它们甚至可以通过施加约300倍于它们体重的压缩力的裂缝。

蟑螂之所以能够完成这些壮举,是因为它们的身体是由由柔性组织连接的刚性板组成的,所以它们可以被压扁而不会被折断。研究人员将他们从蟑螂身上学到的知识应用于设计一种机器人,这种机器人也能在狭窄的空间中移动,并能承受大量的压力。他们希望这些机器人有一天能够在紧急情况下提供帮助,即在倒塌的建筑物的瓦砾中搜寻幸存者或其他潜在危险的情况下。他们设想,一群这样的机器人可以被部署到废墟中搜索,如果找到幸存者,就报告。

不过,在这之前,还需要进行更多的研究和修改设计,直到机器人足够小,适应性足够强,能够像真正的蟑螂那样工作。

现在试着回答以下问题:

  1. 为什么Full博士和Jayaram博士要研究蟑螂?他们希望从这些昆虫身上学到什么?
  2. 什么是生物?根据Full博士的说法,仿生仅仅是复制自然吗?还包括什么?
  3. 研究人员是如何研究蟑螂的?他们学到了什么?
  4. 研究人员如何将他们从蟑螂身上学到的知识应用到新技术中?
  5. 你能想到自然界中有什么东西可以帮助你设计出有用的技术吗?

你可以通过这个了解更多科学家如何研究自然世界来获得灵感科学更新播客2011年1月7日,《发明的本质》。本期播客涉及的主题包括:海胆的牙齿可以激发新的纳米材料,大黄蜂的条纹可以带来更好的太阳能技术,自动变速器可以彻底改变电动轮椅,此外还有关于头发颜色和男性秃头的遗传学的新研究。

科学的更新昆虫齿轮看看飞虱若虫是如何在后腿上有天然齿轮的。


要进一步


为教师

你可以在本期科学更新中让学生们听听这些观点壁虎的脚它观察工程师们如何试图模仿壁虎脚趾的惊人特性。

这篇科学更新将会是对高中工程课程的一个很好的补充。你可以用它向学生们展示科学家如何看待和研究自然世界,以帮助他们解决技术挑战和设计新产品。本科学更新也可以用来加强任何课程或单位,你做的自然科学。


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