德國逆天的仿生機械,這才是真正的黑科技!

2020-12-04 瘋狂機械控

FESTO是一家在自動化技術和仿生技術上造詣很高的德國企業,特別是在仿生領域,火遍大江南北。它是由 Albert Fezer 和 Gottlieb Stoll創建於 1925年,公司名字由兩位創始人名字中的英文字母FE和STO合併而成。

Festo公司最初產品為木工機械,木工工具的品牌為Festool。經營範圍包括木工工具、汽車工具、旋轉拋光機、移動集塵器及建築塗裝產品等。20世紀50年代Festo 最先認識到氣動對工業自動化的重要性,並成為了世界氣動自動化領域的領導者。

仿生機械就是模仿生物的形態、結構和控制原理設計製造出的功能更集中、效率更高並具有生物特徵的機械。研究仿生機械的學科稱為仿生機械學,它是20世紀60年代末期由生物學、生物力學、醫學、機械工程、控制論和電子技術等學科相互滲透、結合而形成的一門邊緣學科。仿生機械研究的主要領域有生物力學、控制體和機器人。

德國Festo公司,以各種惟妙惟肖的機器動物聞名於世。最近又研發出機器蝙蝠,難分真假。它的原型是世界上最大的蝙蝠:狐蝠,關節與翼膜與真狐蝠的身體構造一模一樣。

機器蝙蝠兩翼展開寬度228 釐米,體長 87 釐米,非常大。在運動追蹤系統的輔助下,可以規劃飛行軌跡,在特定空間內自由飛行。

機器蝙蝠是由彈性纖維材料3D列印製作的,它能夠像真實的蝙蝠一樣,在空中翱翔。狐蝠是世界上最大的蝙蝠,它主要通過揮舞翅膀來推動身體在空中飛行。它的翼膜在飛行過程中起到了關鍵的作用,這種翼膜由輕質彈性物質構成,與鳥的羽毛有許多的相似特徵。

為了達到精細的程度,工程師們用炭棒創建了它的整體結構,並且採用高彈性的材料成功3D列印製作了它的機械結構。

在為其配備電機、紅外線接收裝置及電子元器件後,3D列印的機器蝙蝠就可以根據工程師們預設的飛行路線,執行各種飛行任務。

Festo 研發的機器蝴蝶(Robotic Butterflies),它看上去就像真正的蝴蝶一樣輕盈,在各種通信技術、傳感器和GPS的配合下,許多機器蝴蝶在同一片空間中慢速飛行,卻不會彼此相撞。

每一個蝴蝶仿生機器人都能獨立操作,通過獨立控制的翼來調整自己,並能按照預編程的路線飛行。它們身上裝配了許多紅外傳感器,避免飛行過程中互相碰撞。翼展長有50cm,身體重量僅為32g,翅膀每秒擺動1-2次,速度可達2.5米/秒,每次充電後可持續飛行3到4分鐘。

Festo最初的仿生動物是一條名叫Airacuda的仿生魚。初期的仿生動物機器人從外形看還是有些粗糙。

這條機器仿生魚依靠氣動肌腱,可以生動地遊來遊去,它的頭部有一個真空氣倉,使它不僅能夠實現靈活擺尾,還可以上浮和下沉。

後來Festo又做了一條仿生比目魚,這條魚的外形已經相當逼真了。

以充滿氦氣的球體為主體的仿生水母。它可以在水裡自由移動,還可以飛上天。

還有可以飛上天的仿生企鵝,它內置了自主判定系統,可以根據水流方向自行導航定位。它內置的3D聲納系統可以依靠聲波,感知到其他企鵝的位置,防止與它們撞在一起。

說到「飛上天」,當然少不了仿生鳥了!Festo的科學家們在破解了鳥類飛行原理後研製出了這款SmartBird仿生鳥。

Smartbird可以完美模擬鳥類的飛行狀態,甚至令人難辨真偽。它們像正常的鳥類一樣,依靠翅膀提供飛行動力。它們的雙翼不僅可以上下拍動,還可以按照一定的角度進行扭轉,甚至連頭都可以全角度轉動。

除了仿生鳥,Festo的科學家們還造出了仿生蜻蜓。這款外形酷似蜻蜓的BionicOpter機器人擁有蜻蜓的各項特徵,能夠在空中隨意飛行或盤旋,並且能夠做出相當複雜的飛行動作。這才是真正的未來飛行器!

BionicOpter成為第一個能夠模擬直升機、有翼飛行器以及滑翔機飛行狀態的機器人,儘管它設計極為複雜,用戶還是可用智慧型手機輕鬆操控完成減速飛行、突然轉向、甚至倒退飛行等複雜的飛行任務。

除了水裡遊的、天上飛的,Festo還創造出陸地上跑的:仿生袋鼠 。仿生袋鼠BionicKangaroo,幾乎完全複製了袋鼠的彈跳功夫。對機器人有一定了解的朋友都知道,想讓機器人跳起來,難度是很大的。

而這隻仿生袋鼠卻能夠完成連續跳躍,甚至可以跳過40公分高的障礙物。因為它特有的蓄力功能,可以從上一次跳躍中收集能量,為下一次跳躍做準備。如果使用者戴上配套手環,就可以直接用手勢控制袋鼠。

Festo研發的這款仿生袋鼠幾乎完全複製了袋鼠的彈跳功夫,僅需一小塊電池與腿部的彈簧機構,袋鼠便能立刻活蹦亂跳起來。

其中運用了複雜的傳感器、連杆結構和用於充當「肌肉」的高壓充氣罐。

除了上面提到的這些,最讓人瞠目的還是這群3D列印的仿生螞蟻。它們的頭部配備攝像頭,腹部配備傳感器,可以隨時進行紅外導航。而觸角則是天線,在快沒電時,它們會第一時間爬去自行充電。更厲害的是在搬運重物時它們會發揮「螞蟻精神」,集體出動、協同合作。

機器螞蟻大小與成人手掌相近,比真實螞蟻大許多,它們是通過3D列印出來的。頭部和整個身軀都布滿電路,嘴部鉗子和腿部爪子都使用了陶瓷致動器,可快速、精準地活動。

每一隻螞蟻都是「仿生網絡」的一員,通過無線網絡通信多隻螞蟻可以協同工作,搬動較重的物體。螞蟻上還安裝了導電電線,它只需將自己按到電源上就能自動充電。

仿生水母AquaJelly是一種模擬浮遊行為的自控系統,由一個透明的半球和八根動力觸鬚組成。中間是一個防水的雷射燒結體,其中有一個中心電動馬達、兩個鋰離子聚合物電池,還有可充電控制單元和用於防衝板的伺服馬達。

仿生水母的靈活性與便捷性體現了人工智慧方面的研究成果,將在海底勘探和航空航天等領域有著廣闊的應用前景。

另一個新型的蜘蛛機器人 BionicWheelBot 更有意思,它的原型是摩洛哥後翻蜘蛛,為了適應沙漠環境的生活,它有一種獨特的行走方式,通過空中翻轉與地面翻滾的組合來移動。而這樣的驅動方式在仿生學中有重要意義。

在翻滾模式下,人工蜘蛛和自然界的摩洛哥後翻蜘蛛一樣,可以比行走時更快地移動。這款機器人甚至能夠應對高達 5% 的坡度。

這隻仿生章魚觸手和真的章魚觸手一樣附有吸盤。整體採用可氣動驅動的柔軟矽膠結構。

內置真空管可以自主提供吸附動能,輕鬆完成抓、握等動作。

目前,Festo公司已創造了數十種機器生物,人類已阻擋不住他們「創世紀」的步伐。

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