当看到⼤象⽤150千克重的⿐⼦抓取薄脆饼后，我们决定把这个原理⽤到空间站上。
⼤象可以⽤⾃⼰150千克左右的象⿐轻柔地抓取墨⻄哥薄脆饼，⽽且不造成任何损伤。吴嘉宁 ·中⼭⼤学航天航空学院副教授格致论道·湾区第14期 | 2021年12⽉7⽇ ⼴州
⼤家好，我是吴嘉宁，来⾃中⼭⼤学航空航天学院。今天我分享的主题是“仿⽣的三层境界”。我是⼀名学机械出身的、热爱数学建模的、喜欢动物的研究者。⼤家在⽇常⽣活中⻅到的很多机械，⼩到⾃⾏⻋，⼤到航天⻜机、宇宙⻜船，都是我们的研究对象。
今天的故事开始于2020年4⽉份，当时我和中⼭⼤学⽣态学院庞虹教授做了⼀次交流，她是研究瓢⾍⾏为和结构的⼤专家。
她描述了瓢⾍在遇到危险后，从⾼处坠落到地⾯上时可能存在的不同⾏为：有的瓢⾍会打开⾃⼰坚硬的鞘翅和柔软的后翅，然后像降落伞⼀样扇动⾃⼰的翅膀减速，稳稳当当地摔到地⾯上，不会造成任何损伤；⽽有的瓢⾍却不然，它们可能会直接将⾃⼰美丽鲜艳的鞘翅作为⼀个能量吸收器，在不展开翅膀的情况下直接坠落到地⾯上，完成吸能。
这⼀番描述引起了我的兴趣，我想知道瓢⾍究竟是怎样坠落的。于是，我们两个课题组开展了⼀系列的合作。我从庞教授那⾥拿了6种瓢⾍，然后⽤⾼速摄像机拍摄了瓢⾍从⾼处坠落到地⾯这⼀过程中的⼀系列⾏为。
⼤家可以看到，绝⼤多数瓢⾍在坠落时，会在半途打开⾃⼰的鞘翅和后翅，然后扇动后翅产⽣⼀定的升⼒，慢慢地坠落到地⾯上。但在这些瓢⾍当中我们找到了⼀个异类，我们称其为“跳楼勇⼠”，它就是七星瓢⾍。七星瓢⾍从⾼处坠落时完全没有任何展翅⾏为，⽽是直接腹⾯朝上坠落到地⾯上，⽤⾃⼰坚硬的鞘翅壳当作⼀个能量吸收器。
⾮常有趣的是，七星瓢⾍的体⻓⼤约是5毫⽶，我们让它从500毫⽶即0.5⽶这样⼀个相当于体⻓的100倍的⾼度坠落下去，结果它安然⽆恙。对于⼈类⽽⾔，1.7⽶的⼈从170⽶的⾼度坠落下去，⼀定会粉身碎⻣。但是瓢⾍却可以很好地吸能，并且完全⽆损地落地。它是如何做到的呢？我们利⽤⾼速摄像机，对它坠落地⾯这⼏个毫秒的时间进⾏了细致的拍摄。
在⾼速摄像机拍摄的视频当中可以很清楚地看到，在坠落的过程中瓢⾍完全没有打开翅膀，它的两瓣鞘翅迅速地打开再合上。这个打开合上的过程引起了我们的关注。
瓢⾍是如何把近10倍于⾃⼰体重的冲击⼒完全吸收掉的呢？我们⽤扫描电镜观察了它的微观结构特征。瓢⾍的鞘翅是由两瓣结构组成的，上图所示的这个半球形结构的两瓣之间有⼀个榫卯结构。这个结构由⼀个突出和⼀个凹陷紧紧契合在⼀起，当坠落到地⾯的时候，榫卯通过摩擦的作⽤打开，瞬时释放出⾮常多的能量。
古⼈也会⽤榫卯结构去盖房⼦，把⼀个个榫与⼀个个卯结合在⼀起建造的房⼦是⾮常安全的，这是古代劳动⼈⺠的智慧。
为了验证榫卯结构是否在坠落过程中具有吸能效果，我们从⼒学⻆度做了⼀系列的仿真分析研究。我们制作了两种鞘翅模型，第⼀种鞘翅模型是没有缝的，相当于将⼀个薄壳摔在地⾯上，然后从不同的⻆度测试它坠落时的⾏为；另外⼀种模型就是完全模拟瓢⾍的鞘翅，制作⼀个带着榫卯、有中缝的、可能会受冲击⽽打开的结构，然后看这个鞘翅在整个坠落过程当中的形变。
在上⾯的动图中，红⾊代表⼤的形变，蓝⾊代表⼩的形变。
在七星瓢⾍坠落的瞬间，它的榫卯打开后会产⽣⾮常⼤的形变，这个形变可能是瓢⾍能够在短时间内吸收能量的主要原因。通过理解瓢⾍的这种特异⾏为以及它背后的机制，我们很快就做出了⼀个仿⽣的实体。利⽤3D打印技术，我们制作了⼀个像瓢⾍鞘翅这样的可以打开的仿⽣结构和⼀个没有中间的榫卯的结构。⽐较⼆者后我们发现，有了仿⽣结构，它的每⼀次吸能⽐例将超过40%。
瓢⾍鞘翅本身只有⼀个⾮常轻薄的壳，但它却能完成很⼤⽐例的能量吸收。那么，我们是不是可以把这⼀结构运⽤到具体的仿⽣设计或仿⽣机器⼈中呢？
于是我们想到了⼤家常⻅的⽆⼈机。⽆⼈机在⽇常运⾏的过程中会遇到各种的情况，包括主机坏掉或者是遇到各种障碍物等等⽽失去动⼒，这时候它就会从⾮常⾼的地⽅坠落下来。如果此时没有⼀个可以保护它的、能够吸能的结构，⽆⼈机将会粉身碎⻣。
基于以上研究，我们设计了有瓢⾍鞘翅结构的和没有瓢⾍鞘翅结构的两种吸能器。我们发现，有瓢⾍鞘翅缝隙结构的吸能器，它的吸能会多40%。它的设计既⾮常轻巧，每⼀个吸能器只有8克左右，⼜实现了⾮常⾼的能量吸取率。我们这⼀研究受到了⼤家的⼴泛关注，期待未来这个研究成果能够⼴泛应⽤到⽐如空间着陆器或⽆⼈机的运⽤场景中。
像上⾯这样的从动物⾏为学到⼒学机制，⼀直是仿真机器⼈的⼀个研究流程。这种利⽤仿⽣原理进⾏思维拓展的⽅法包括三个层⾯：第⼀层是观察动物，看它在各种各样的⾏为当中的⼀些特异性；第⼆层是我们在这种特异性的基础上总结出相应的数学、物理、⼒学的原理；最后⼀层是结合以上两层的内容去设计新型的仿⽣机器⼈。
这种从第⼀层到第三层的⾦字塔是可以⾛得通的。那如果反过来是否⾏得通呢？⽐如假设我们有⼀个仿⽣机器⼈，当它的设计原理并不是特别完善、出现了各种问题的时候，我们是否可以向⾃然偷师以优化我们的设计呢？答案是肯定的。
我们在两年前研制了⼀款仿⽣象⿐机器⼈，应⽤场景是在空间站内帮助航天员完成抓取、转运、分选、操作的各种操作。这个由硅胶组成的仿象⿐的⽓驱软体机器⼈⾮常轻柔，它可以抓取各种柔脆的物质。
为什么我们要做⼀个软体机器⼈呢？主要原因有两个，⼀⽅⾯，要保证航天员在空间站中的安全；另⼀⽅⾯，空间站当中有很多的精密设备，为了避免对这些设备造成永久性的伤害，⾮常刚性的结构是不被允许的。
当时我们做了这⼀款象⿐，⽤⽓驱的⽅式模拟⼤象在抓取物品时的⼀系列⾏为。经过测试，我们发现这个象⿐的设计⾮常不理想。在上⾯的视频中⼤家可以看到，它在抓取的时候会产⽣各种各样的问题，包括⼒控制精度不好，以及运动的时候出现了很⼤的抖动。这种抖动严重制约了机器⼈的性能，是完全没有办法在空间舱内进⾏运动的。
遇到这样⼀个问题后，我们在想，⾃然是否可以告诉我们⼀些机制和原理呢？于是我们搬着摄像机、拿着⼒平台传感器来到动物园拍摄⼀头真正的象在抓取、转运、分选、操作各种物质时的⾏为。⼤家可以看到，这头象在抓取芋头块、⼟⾖块时的动作都⾮常轻柔。通过⼒学平台的测试，它可以把接触⼒控制精度控制到臂体的3%左右，⼤概是五六个樱桃的重量。
对于象⿐这种没有内⻣骼、完全是⾁质的结构，⽽且还是重150千克的动物附器，它都能够控制到这样的程度。这不禁引⼈思考：我们如何通过仿造⼤象的机制，来设计⼀款控制⼒和运动精度都⾮常⾼的机器⼈呢？
接下来我们想，既然⼤象能够抓⽇常的⻝物，那把⼤象推到它能⼒的边缘，它能抓更⼩、更柔、更脆的物质吗？经过⼀番思考，我们选择了⼀种墨⻄哥薄脆饼，这个薄脆饼仅仅只有10克左右，⾮常轻薄。我们把它放到⼒学平台上，让⼀头⾮洲象去抓取它作为⾃⼰的⻝物。
在做实验之前，我们咨询了陪伴这头34岁的⾮洲⺟象将近10多年的饲养员，问他：“你觉得⼤象是否能够办到这个事情？”他⾃⼰都不太确定。但现实再⼀次证明了象⿐的灵巧，在上图我们可以看到，⼤象可以⽤⾃⼰150千克左右的象⿐轻柔地碰触墨⻄哥薄脆饼，⽽且不造成任何损伤。通过多次实验后我们发现，不经训练的⼤象可以在3秒之内完成这样⼀个轻巧的抓取。
这给我们带来了怎样的信息呢？它的接触⼒控制得⾮常好，极限接触⼒可以控制到⼀个樱桃的重量。在慢速回放中，我们可以看到它的运动⾮常柔顺，没有产⽣任何⾼频的抖动。那么，不产⽣⾼频抖动的主因是什么呢？让我们回到第⼀层思维⽅法，⽤动物结构上的⼀些特征来进⾏分析。
我们解剖了⼀只合法的、⾃然死亡的⼤象。我们可以看到，象⿐有三层结构。如图所示，这三层结构分别是⾮常坚硬的表⽪层，还有真⽪层、肌⾁层。我们通过⼒学测量发现，表⽪、真⽪和肌⾁层的硬度分别是6∶1∶3。简⾔之，象⿐从外到内⻓成了⼀个硬、软、硬的结构，如同我们经常吃的夹⼼饼⼲。
经过⼒学分析，我们发现这个“夹⼼饼⼲”能在很⼤程度上控制象⿐的运动精度，⽽且能提升它⼒输出的精度。受到第⼀层和第⼆层的启发，我们⻢上获得了⼀种新的设计思路：我们在原有的机器⼈上装了⼀层“硬-软-硬”的层套。经过这样的改进，我们发现这个臂体能够实现⾮常精巧的运动，⽽且避免了⾮常⼤的⼒的冲击和⾼频的抖动。它在和⼈交往的时候也是完全没有问题的。
回到刚才的设计⽅法，我们在知道了象⿐的⼀系列抓取特征之后，是否还可以吸取⼀些其他的经验教训呢？答案是肯定的。我们对象⿐进⾏了精确的CT扫描，看到了其中伪⻣骼的加强装置。我们⻢上把这些装置⽤到了仿象⿐的机器⼈上。这个视频展示的就是⼀个可以去吸的、运动灵巧的、在空间当中可达度⾮常⾼的机器⼈。
这个机器⼈完全满⾜了我们对于航天器舱内的机器⼈的期望，它可以⽤在舱内，辅助航天员完成⼀系列精巧的、⽆损的、柔顺的操作。
Science⽹站还专⻔做了⼀个视频，在视频中介绍道：象⿐是⼀种灵巧的机构，不仅可以抓取各种各样的芋头块，⽽且能够做到⾮常⼤的⼒学范围的输出。⼩到可以去抓墨⻄哥薄脆饼，⼤到可以抓圆⽊，甚⾄抓⼀些粉末材料都不在话下。
在很⼤程度上，这种设计思路和设计⽅法能够帮助我们找到⼀条捷径，以实现最优的、功能最佳的、特性最强的设计。⾃然是⼀本字典，我们应该勤翻勤学。在学习⾃然的过程当中，利⽤我们的三层设计⽅法，可以很轻易地获得仿⽣机器⼈的设计思路。当然，如果我们在具体的⼯程当中遇到了⼀些问题，不妨虚⼼地去问问⾃然：在百万年的进化当中，是否获得了⼀些最优化的设计理论和⽅法？
通过从⾃然那⼉获得的智慧，拓展我们的视野，形成新的设计理论和设计⽅法。
谢谢⼤家！