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壁虎脚趾启示下发明了一种强力干性粘合剂,这种粘合剂将使用一种与壁虎爪指上的绒毛类似的人造绒毛。
盖姆仅造出了1平方厘米大的壁虎胶布,为了检验其附着力,他把这条胶布固定在一个蜘蛛人玩偶的手上,结果,蜘蛛人稳稳当当地悬挂在了一块玻璃板上。
壁虎胶布的意义重大,科学家希望能研制出一种会爬墙的机器人。
早在公元前4世纪,古希腊哲学家亚里士多德就对壁虎高明的爬行能力感到“大惑不解”。多少年来,人们对壁虎飞檐走壁的秘诀一直众说纷纭,壁虎脚底的粘着力究竟是怎样产生的呢?美国加利福尼亚大学伯克利分校的科学家罗伯特·福尔等人经过研究发现,看上去不起眼的壁虎,居然是自然界数一数二的“应用物理大师”。它脚底的力量,竟然来自宇宙中最基本的物理学原理--分子引力。他们的研究成果发表在最新一期美国《国立科学研究院学报》上。
起先人们认为,壁虎能贴在光滑的天花板上,靠的是四个脚掌上神奇的吸盘,其实情况并非如此。
生活中有些现象常常令人困惑不解,例如,一种长约10厘米、背呈暗灰色的爬行纲四足小动物壁虎,能在光滑如镜的墙面或天花板上穿梭自如,捕食蚊、蝇、蜘蛛等小虫子而不会掉下来。多少年来,人们对壁虎飞檐走壁的秘诀一直众说纷纭,许多人习惯地认为,壁虎能够在直立的玻璃表面疾步如飞,甚至能贴在光滑的天花板上,靠的是四个脚掌上神奇的吸盘。与此同时,壁虎高超的攀爬能力也一直是科研人员重点研究的对象。
科学家通过实验发现壁虎能够在一块垂直竖立的抛光玻璃表面以每秒一米的速度向上高速攀爬,而且“只靠一个指头”就能够把整个身体稳当地悬挂在墙上。除了能在墙上竖直上下爬行外,壁虎还能够倒挂在天花板上爬行,这一绝技更令其他动物望尘莫及。
壁虎脚底的粘着力究竟是怎样产生的呢?美国加利福尼亚大学伯克利分校的科学家罗伯特·福尔等人经过研究发现看上去不起眼的壁虎,居然是自然界数一数二的“应用物理大师”。它脚底的力量,竟然来自宇宙中最基本的物理学原理---分子引力。靠着这种力量,一只身长2英寸的壁虎,用它不过几平方毫米大小的脚掌,理论上能够毫不费力地提起重达40公斤的重物!
壁虎脚底一根刚毛能够提起一只蚂蚁的重量,而使用全部刚毛就能够支持125公斤力。
那什么是分子引力呢?分子引力也叫范德瓦尔斯力,是中性分子彼此距离非常近时产生的一种微弱电磁引力。由于这种引力过于微弱,通常没有人加以注意。比如,当我们把手贴到墙上时,也会产生分子引力,但由于实际接触面积太小,可能只有数千个接触点,人的手掌不会被吸附到墙壁上。
但壁虎就不一样了,它的每只脚底部长着数百万根极细的刚毛,而每根刚毛末端又有约400根至1000根更细的分支。这种精细结构使得刚毛与物体表面分子间的距离非常近,从而产生分子引力。虽然每根刚毛产生的力量微不足道,但累积起来就很可观。根据计算,一根刚毛能够提起一只蚂蚁的重量,而100万根刚毛虽然占地不到一个小硬币的面积,但可以提起20公斤力的重量。如果壁虎同时使用全部刚毛,就能够支持125公斤力。科学家说,壁虎实际上只使用一个脚,就能够支持整个身体。
壁虎能在多么脏的物体表面都能行走,它的脚不会自动分泌液体,但有着自动清洗的功能。
壁虎又是怎样自如地控制脚上的吸力呢?科学家用显微摄像机录下壁虎在玻璃上爬动的情况,发现当壁虎试图移 动脚掌时,需要付出比吸住附着物时高600倍的力量,并将脚趾伸展到30度以上才能达到目的,这就如同人们扯下粘贴的胶带时所做的一样。而且,即使在真空环境下,它脚上的粘着力也不会失灵,这说明壁虎不必分泌任何物质以维持附着力,也不需要借助空气负压“吸”住物品。
研究人员认为,模仿壁虎脚底的这种结构,有可能研制出粘合力超强的新型胶纸。它具有易于被揭下、不对物体表面造成损伤、可反复使用等优点。
此后,美国路易斯-克拉克学院的科学家在研究中意外地发现了壁虎能够轻而易举附着于物体表面的另一原因:它们能自动清洁爪子绒毛上的脏物,以避免从爬行的表面脱落。
以前,科学家们也曾经猜测壁虎的脚可能有着自动清洗的功能,但它是如何保持脚的清洁及其原理却是个未解之谜。壁虎从不清理自己的脚,而且脚部也不会自动分泌液体。路易斯-克拉克学院的凯拉·奥特姆和温迪·汉森对壁虎的这一神奇功能进行了研究,他们发现,不管壁虎在多么脏的物体表面行走,当它走了几步之后,脚上的脏物就会自动脱落。他们认为,壁虎脚在踩踏脏物之后,脏物的颗粒堆积在绒毛表面,而不是粘在绒毛上,因此在堆积到一定程度之后脏物颗粒在重力的作用下就会脱落。
在壁虎脚趾微结构的启示下,科学家开始研制超级附着技术。
研究生物力学的奥特姆认为,这项发现对希望发明更好的粘合剂的科学家来说是一个好消息,因为只要能够把绒毛做得足够小,就可能产生和壁虎刚毛一样强大的粘合力。
由此,在壁虎脚趾微结构的启示下,超级附着技术呼之欲出。例如,科学家正在据此开发的一种强力干性粘合剂,这种粘合剂将使用一种与壁虎爪指上的绒毛类似的人造绒毛。
不久前,英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈·盖姆及其同事宣称他们的研究取得了重大进展:他们模仿壁虎脚趾的微结构研制了一种柔韧的胶布,上面覆以上百万根人工合成的绒毛,每根毛的长度不足2微米。根据他们的推算,一块巴掌大的这种胶布就能将一个成年人悬吊起来。盖姆仅造出了1平方厘米大的壁虎胶布,为了检验其附着力,他把这条胶布固定在一个蜘蛛人玩偶的手上,结果,蜘蛛人稳稳当当地悬挂在了一块玻璃板上。
壁虎胶布的意义重大,科学家希望能研制出一种会爬墙的机器人。
负压腔清洁机器人工作原理
阿特拉斯(Atlas),由美国武器合约商,谷歌旗下的波士顿动力公司研发,是世界最先进的人形机器人之一。
机器人身高1.9米,体重150公斤,像人类一样用双腿直立行走,“双眼”是两个立体感应器。它不仅能够行走、取物,并且能够在户外穿越严酷地形,使用手脚攀爬,能在实时遥控下穿越比较复杂的地形。
阿特拉斯刚开始,是基于波士顿早期设计用于检测化学防护衣的PETMAN人形机器人。到现在为止,它已经经过了6个版本的更新,刚出场时,其形象不堪入目,走路像一岁小孩,笨重地在滚动履带上甩着两条扭曲的大长腿。
随后技能一路飞速进化,踩碎石、爬雪地、撑杆跳、后空翻,甚至高难度体操、跑酷,无所不能。它的进步不断刷新人类认知的新高度。
刚开始,阿特拉斯只有两条腿,手臂都没有,需要拖着长长的电缆,在履带上晃晃悠悠地行走。但是那时候的阿特拉斯,已经能完成一些需要很强平衡性的任务了。
在实验室的环境中,可以通过铺满石块的道路,工作人员没有事没事还给它“使坏”,推一下,拿锤子撞两下,但它仍然能表演个金鸡独立什么的。在履带上踩到障碍物时,会自动更新步态,规划下一步落地点避开障碍物。
经过改进,全身75%都进行了重新设计,多了一个大大的电池背包,不用再拖着一个长长的尾巴。这个形象跟最后能跑酷跳舞时的形象差不多,但这时的Atlas仍是个“婴儿”,尚在蹒跚学步阶段,走路踉踉跄跄,动作也不连贯。网友调侃说,它像极了一个半夜里走在回家路上的醉汉。
虽然它还是个婴儿,可研发人员对它,可没有一点心慈手软。对它魔鬼式的训练,更是变本加厉。
这位“小朋友”好不容易搬起的小箱子,工作人员直接就给抡在地上,还给它狠狠地捅一把,差点来个屁股礅。
或者从后面来一阴棍,让它来个狗啃泥,看它像是摔疼了的样子,半天起不来。
尽管这受虐的镜头看起来很不好,但是比起上一代来说,功能与性能已经有了很大的飞跃。大部分的环境,都可以正常行走,而且动作非常流畅,可以在台阶之间跳跃、转身,甚至来个后空翻。
当然也称不上完美,有些动作还不是很连贯和稳定,比如有时候,跳起来落地后不不保持平衡,会踉跄甚至跌倒。
到了下一代,阿特拉斯更加精进了许多。可以在室内和室外进行实际操作。又过了一年,阿特拉斯能够边跑边越过原木、跃上台阶。到了2019年,阿特拉斯掌握了“体操”技巧,能够连续地跳跃、翻滚、倒立。还能跟着音乐跳舞,因动作过于流畅自然,以至于不少网友认为这是CG特效。
它连续地越过台阶,跑过斜坡,走过平衡木,甚至还单手支撑身体越过横杆,一系列动作灵巧度不亚于人类。
最重要的是,阿特拉斯不再需要预先设定好的程序,而可以依靠激光雷达和立体传感器来感应周围的一切。阿特拉斯的第一代机器人是通过远程控制来实现的。要让他去做一个类似于跑步或者舞蹈之类的任务,就必须要事先掌握好所有的动作,并将这些动作组合在一起,形成一个可实现的计划程序。那时的阿特拉斯,完全没有和周围的环境进行交流,而是按照输入的程序,执行着自己的工作。最新的阿特拉斯机器人,配备了激光雷达和三维感应器,可以让其避开障碍物,识别地形变化,辅助导航等。
通过电脑的视觉进行识别和确定,可以在奔跑或跳跃时精确地找到自己的落脚点。使用RGB相机和TOF深度感应器来收集更多的周围情况,然后把这些感应器转化成对运动的判断和依据,从而确定障碍和自动导航。阿特拉斯在奔跑的时候,就像是在为它设计一幅3D地图,根据建立的模式,来制定路线,并根据路线来确定下一次的目的地。
阿特拉斯机器人所做的所有操作都来源于其行为库中的行为范本,该范本可以自动地从库中选取对应的行为来完成。在跑步的时候,它的模型预报控制系统会根据环境、移动等不同的情况,调整其发力、姿势、动作时机等。
从蹒跚学步变成熟练的跑酷者。阿特拉斯变得更加成熟时,与“机械战警”影片中的角色更加相似时,再过六年,真正的“机械战警”有没有可能会出现呢?
利用负压腔吸附原理在幕墙表面攀爬行走。负压腔清洁机器人的诞生是为了解决各类非光滑材质幕墙的清洁需求,其工作原理是利用负压腔吸附原理在幕墙表面攀爬行走,并使用刷子或吸尘器清洁幕墙上的污垢和灰尘,将家中打扫干净。
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