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  新智元報(bào)道  

編輯：拉燕 桃子 好困

原標(biāo)題《亡蛛復(fù)活！「死靈機(jī)器人」竟抓走了同類(lèi)》

【新智元導(dǎo)讀】見(jiàn)過(guò)「死靈機(jī)器人」嗎？近日，萊斯大學(xué)的科學(xué)家就研究出了「死靈蜘蛛」，能夠抓取同類(lèi)，簡(jiǎn)直讓人皮發(fā)毛。

死而復(fù)生的蜘蛛，變成了「死靈機(jī)器人」。

看過(guò)《異星災(zāi)變》的，一定會(huì)立刻想到那個(gè)令人恐懼的喚靈者。

但此死靈機(jī)器人非彼。

它號(hào)稱(chēng)蛛界的「舉重冠軍」！

不僅能夠拿起不規(guī)則物體，比如電子零部件。

還能將同伴輕而易舉地舉起。

好奇怪，再看一眼[doge]

這項(xiàng)研究便是萊斯大學(xué)科學(xué)家的最新發(fā)現(xiàn)。

只需要一根針和一些空氣，就能讓狼蛛機(jī)器人舉起其體重130%的物體。

最重要的是，它可以承受近1000次的開(kāi)合循環(huán)。

目前，最新研究成果已發(fā)表在Advanced Science上。

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

這究竟是如何實(shí)現(xiàn)的呢？

如何制作一只「僵尸蜘蛛」

說(shuō)來(lái)也簡(jiǎn)單，整體就兩步：

第一步安樂(lè)死，第二步插入針管后封口。

為了開(kāi)始研究，合適的蜘蛛尸體必不可少。

研究人員將一只狼蛛暴露在冷凍溫度（約-4℃）下5~7天，獲得了理想的樣本。

同時(shí)用電子顯微鏡掃描了狼蛛髕骨股關(guān)節(jié)的圖像，具體地展現(xiàn)了關(guān)節(jié)膜的樣子。

這進(jìn)一步給研究人員提供了靈感。

接下來(lái)，制作一個(gè)壞死的機(jī)械手只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的步驟：

那就是將針頭插入已死亡狼蛛的前肢區(qū)域，然后用膠水將針頭固定在蜘蛛的身體上，最終形成一個(gè)密閉的圓圈。

神奇的事，這里不需要做任何操作，膠水就可以自動(dòng)落到針頭和狼蛛的接面上去。

這是因?yàn)槿齻€(gè)階段的能量最小化（the minimization of energy in three phases）。

首先，膠水液滴被注射到針頭的一側(cè)，附著在上面，使針頭表面的能量最小化。

第二，膠水沿著針頭向下移動(dòng)，在重力的作用下接觸到蜘蛛的角質(zhì)層（或者叫外骨骼）的表面。

最后，當(dāng)接觸完畢時(shí)，膠水液滴會(huì)沿著針頭和蜘蛛角質(zhì)層的接面形成半月形狀的一灘。最終，膠水在固化后就會(huì)形成氣密性密封。

如下圖所示，

插入針頭到滴膠水的整個(gè)過(guò)程，可以在大約10分鐘內(nèi)完成。由此，研究人員就制得了一個(gè)完全可以操作的抓取器。

研究人員在紙上模仿了這種自密封機(jī)制。紙張模仿了蜘蛛角質(zhì)層的特性，又用了相似的針頭插在了紙上。

然后他們用一滴染成了藍(lán)色的膠水滴在紙上，成功復(fù)現(xiàn)了氣密性密封。

這樣做是為了證明，膠水滴在蜘蛛外骨骼和針的接面上并擴(kuò)散，確實(shí)能達(dá)到動(dòng)態(tài)能量最小化。

同時(shí)，研究人員還用SEM對(duì)蜘蛛上針頭的插入點(diǎn)進(jìn)行了成像，以顯示針和角質(zhì)層之間的密封性。

研究人員選擇了蜘蛛的前肢，因?yàn)榍爸耐夤趋辣雀共扛訄?jiān)硬。

又因?yàn)橹┲氲耐戎话。谥┲胨赖粢院螅捎谌狈o水壓力（靜水壓力在蜘蛛活著的時(shí)候由前肢的肌肉產(chǎn)生），蜘蛛的腿會(huì)向身體彎曲。

最后，在膠水凝固后（該研究使用的是氰基丙烯酸酯膠水，約10分鐘凝固），將注射器連接到皮下注射針頭的魯爾鎖端（Luer lock）。這樣就完成了蜘蛛死體抓取器的制作。

這樣，當(dāng)沒(méi)有壓力施加到機(jī)械手上時(shí)，蜘蛛尸體的腿部會(huì)自然保持向內(nèi)彎曲。這種狀態(tài)被研究人員稱(chēng)為抓取的「中性狀態(tài)」。

而當(dāng)研究人員通過(guò)注射器加入壓力時(shí)，腿部就會(huì)向外延伸啟動(dòng)，機(jī)械手打開(kāi)。

是不是很神奇？

這是因?yàn)橹┲搿干啊箷?huì)通過(guò)主動(dòng)收縮前肢的肌肉來(lái)增加內(nèi)部的液壓，從而把腿伸出來(lái)。

而研究人員用蜘蛛尸體做的「機(jī)械手」，實(shí)際上就是用外部氣壓變化取代了蜘蛛主動(dòng)地血淋巴壓力調(diào)節(jié)機(jī)制。

總而言之，當(dāng)蜘蛛內(nèi)部的壓力比大氣壓高的時(shí)候，就會(huì)「蹬腿」，反之就會(huì)把腿收起來(lái)。不管壓力的改變是蜘蛛活著的時(shí)候自發(fā)的，還是人為進(jìn)行加減。

上圖則是研究人員測(cè)試出的「僵尸蜘蛛」的抓力。通過(guò)對(duì)比八個(gè)不同的抓取壓力結(jié)果發(fā)現(xiàn)，抓取壓力的增加會(huì)導(dǎo)致抓取力的下降。

3年前的偶然，成靈感來(lái)源

研究亡蛛軟體機(jī)器人的想法可以說(shuō)是一個(gè)偶然。

而且早在3年前便開(kāi)始了。

2019年，Daniel Preston在賴(lài)斯大學(xué)機(jī)械工程系建立了自己的實(shí)驗(yàn)室后，便開(kāi)始了這個(gè)項(xiàng)目。

論文一作Te Faye Yap稱(chēng)，當(dāng)時(shí)我們正往實(shí)驗(yàn)室搬東西，便注意到了走廊邊上一直蜷縮的蜘蛛。

這激起了Yap的好奇心，「為什么蜘蛛死后會(huì)蜷成一團(tuán)？」

經(jīng)過(guò)一番調(diào)研，答案也浮出水面：

蜘蛛是沒(méi)有對(duì)抗肌對(duì)，就像人類(lèi)上臂肌肉，比如肱二頭肌和肱三頭肌，而它們只有屈肌。

說(shuō)白了，蜘蛛本體就缺少能讓腿伸直的伸肌，卻有讓腿彎曲的屈肌。

當(dāng)蜘蛛需要伸直腿時(shí)，得依靠腿部的「液壓系統(tǒng)」。

這個(gè)系統(tǒng)就像打針用的注射器一樣，充滿(mǎn)液體時(shí)推桿會(huì)往外推，使腿伸直。

當(dāng)蜘蛛死后，它的體液會(huì)逐漸流失，腿無(wú)法再伸直，就在屈肌的作用下往回縮了。

這太有趣了！萊斯大學(xué)成員們靈機(jī)一頓，希望找到一種方法來(lái)利用這一機(jī)制。

Daniel Preston稱(chēng)，蜘蛛液壓關(guān)節(jié)使其能夠單獨(dú)控制每條腿，而死去的蜘蛛是無(wú)法控制這些閥門(mén)，這也是未來(lái)研究的主題。

因此，這對(duì)我們的研究有利，因?yàn)橥鲋胱屛覀兛梢酝瑫r(shí)控制所有的腿。

這項(xiàng)看起來(lái)很酷又讓人驚悚的項(xiàng)目，研究意義何在？

畢竟做的就是機(jī)器人，當(dāng)然主要的應(yīng)用還是服務(wù)于人類(lèi)。

比如，讓其挑選放置物體，做重復(fù)性任務(wù)，小范圍內(nèi)對(duì)物體進(jìn)行分類(lèi)和移動(dòng)，甚至還可以進(jìn)行微電子組裝等類(lèi)似的任務(wù)。

就比如能操作電路板，關(guān)閉LED燈。

另外一個(gè)應(yīng)用便是，讓死靈蜘蛛機(jī)器人去捕捉自然界較小的昆蟲(chóng)，利用其本體就是天然的偽裝高手。

而且，蜘蛛本身就易于生物降解，因此在研究過(guò)程中，并不會(huì)產(chǎn)生大規(guī)模的廢物流。

但是，這個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)有些人來(lái)說(shuō)聽(tīng)起像是一場(chǎng)噩夢(mèng)，同時(shí)也面臨著道德的譴責(zé)。

正如Preston稱(chēng)，軟體機(jī)器人這一領(lǐng)域研究非常有趣，因?yàn)槲覀兛梢允褂靡郧皬奈撮_(kāi)發(fā)過(guò)的驅(qū)動(dòng)和材料。當(dāng)前，蜘蛛便是隱藏這一巨大潛力技術(shù)的原材料。

作者介紹

論文一作Te Faye Yap目前萊斯大學(xué)機(jī)械工程的博士研究生，導(dǎo)師便是這次論文通訊作者Daniel Preston教授。

此前，她曾在路易斯安那大學(xué)拉菲特分校取得了機(jī)器工程學(xué)士學(xué)位。

Daniel Preston博士在2012年在阿拉巴馬大學(xué)獲得了機(jī)械工程學(xué)士學(xué)位，之后分別在2014年和2017年取得了MIT的碩士和博士學(xué)位。

目前，他是萊斯大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室（PI Lab）的領(lǐng)導(dǎo)者，并在今年5月獲得了NSF職業(yè)獎(jiǎng)。

大自然本身就做得很好。時(shí)至今日，科學(xué)借用和「偷取」大自然去進(jìn)步。

有網(wǎng)友表示，某一天，就會(huì)上身人類(lèi)了吧。

參考資料：

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