機械手臂吸頭仿生變色龍舌頭

 
2017/07/12 賴婉婷 | 國立臺灣博物館研究組
歐陽盛芝 | 國立臺灣博物館
歐陽盛菊 | 國立清華大學工業工程與工程管理研究所
仿生高冠變色龍舌頭的機械手臂吸頭可吸抓各種物體(繪製者:王美乃)。 變色龍的舌頭很長,能快速彈射黏住捕獲昆蟲進食(圖片來源:歐陽盛芝)。
  • 仿生高冠變色龍舌頭的機械手臂吸頭可吸抓各種物體(繪製者:王美乃)。
  • 變色龍的舌頭很長,能快速彈射黏住捕獲昆蟲進食(圖片來源:歐陽盛芝)。
 

歐洲科學家模仿高冠變色龍(Chamaeleo calyptratus)彈舌捕食和黏附機制,已研發出稱為FlexShapeGripper的仿生機械手臂吸頭,能像變色龍舌頭吸抓各種尺寸和類型物體、且不會造成物體受損,也可依設定流程吸取後重覆相同動作,最後放下數個不同形狀物件,可應用於農業的蔬果分級、資源回收業的廢棄物分類回收、提高吸取準確性與縮短流程的工業組裝、執行精密的自動化組裝或處理小零件等任務,未來還可開發為特定功能的機器人,從事較細緻和精確的客製化服務,並能依需求調整控制抓握和吸附程度,達到最大經濟效益。

 

高冠變色龍是日行性樹棲變色龍,最大特徵是頭頂具有由骨板構成的高聳頭冠,屬於爬蟲綱(Reptilia)有鱗目(Squamata)避役科(Chamaeleonidae),原產於阿拉伯半島的葉門和沙烏地阿拉伯的高原、山脈、和山谷。雜食性,以昆蟲為主食,也會取食植物吸收水分。變色龍的舌頭長度大於體長,捕食時會以超過F16戰鬥機5倍的加速度將舌頭瞬間彈射至體長2倍遠的距離黏住獵物,舌尖中間在碰到昆蟲前會停住回縮,舌頭邊緣繼續前進,讓舌頭適應各種獵物的尺寸和形狀、牢固地包圍,並分泌唾液將昆蟲黏附在舌頭上,從舌頭伸出到捕獲獵物的時間僅0.04-0.07秒,能黏獲重達本身體重30%的獵物回縮入口,當獵物想逃生時,就像釣魚線一樣拉扯、反而黏住更多接觸面積;舌頭表面粗糙度則必須自我調整,與獵物表面接觸形成物理交聯(physical crosslinks),並以類似橡膠吸盤的吸附機制進行強烈黏附,才能在高速彈射下立即黏住,具有不同體積和重量的獵物可在少於十分之一秒的舌頭縮回口中期間不會中途掉落。

 

美國布朗大學(Brown University)安德森(Christopher V. Anderson)博士因此比較55種變色龍取食蟋蟀時彈出舌頭的機制,得知拉伸彈性組織並使用其後座力驅動的力量,比收縮肌肉更直接更快速釋放能量,而將輸出功率放大,這種功率放大機制可讓高冠變色龍舌頭的峰值加速度達每平方秒514公尺,肌肉質量的峰值功率達每公斤3,480瓦特(W/kg);55種變色龍中,最高的舌頭峰值加速度可達每平方秒2,590公尺(m/sec2),肌肉質量的峰值功率最大達每公斤14,040瓦特,並且體型愈小其性能更好,舌頭彈射速度愈快,彈射距離愈長,最遠可達體長的2.5倍。

 

比利時科學家達曼(Pascal Damman)教授領導蒙斯大學(Université de Mons)和法國國立自然史博物館(Muséum national d’Histoire naturelle)合組研究團隊,研究結果顯示變色龍黏性唾液黏住獵物的機制、比高速彈舌機制對捕獲獵物更重要。研究團隊以直徑3.5公釐、質量0.175公克的不鏽鋼滾珠,用自由落體方式掉落在一塊表面沾塗高冠變色龍唾液薄層的小斜坡上進行實驗。當滾珠接觸到唾液時,係以每秒6.58±0.06公釐的速度滾動,再依滾動距離計算其黏度為0.4±0.1帕斯卡·秒(Pa·s = 10P,kg/m/s),因此計算出唾液黏度是人類(約10-3帕斯卡·秒)的400倍;他們另以高速攝錄高冠變色龍的捕食動作,係先估算距離後把舌頭慢慢從顎突出,加速肌肉收縮、並擠壓舌頭最內層的蛋白質纖維彈性鞘套,快速釋放能量彈出舌頭,以恆定速度延伸,撞到獵物前停止,黏到獵物即加速縮回口中,最後恢復原位,即使獵物較大,也能瞬間被唾液黏在舌頭上捕獲,黏度愈高則獵物被黏住的面積愈大,為相當有效的獵捕利器。研究成果於2016年6月在《自然物理學》(Nature Physics)期刊發表。

 

德國飛斯妥公司(Festo AG & Co. KG)仿生高冠變色龍彈舌捕食和黏附機制,研發出仿生機械手臂吸頭FlexShapeGripper,由挪威奧斯陸和阿克斯胡斯大學(Oslo and Akershus University)研究生蒙格紹(Jon Eirik Mangschau)協助設計,利用材料表面間產生高靜摩擦力形成的強抓吸力、替代黏度高的變色龍唾液,具有可旋轉彎折的關節,堅硬的機械手臂頂端是柔軟靈活、內部注水的矽膠帽,內有以活塞隔開的雙動氣缸,其中一個充滿壓縮空氣,另一個充滿水、由彈性矽膠製成仿生變色龍舌頭。

 

操作時透過處理系統引導矽膠帽接觸物體,將氣缸的氣體排放、打開活塞,造成含水氣缸自動向內拉,使矽膠帽能像變色龍舌頭般配合物體尺寸和形狀,柔性抓取各種物體並緊緊抓吸住,無論是眼鏡、鋼珠、咖啡杯、鑰匙等都能緊密纏繞包覆,依後進先出原則拾取、收集、和放下一個或幾個在相同生產線中不同形狀的物體,無須手動轉換流程操作或更換其他款機械手臂抓具,透過不同比例的閥門開關可精確控制矽膠帽的抓力和變形,且所有機制都由空氣觸發,無須額外提供能量,已成為可量產的經濟性商品。

 

(以上新聞編譯自2016年6月20日發行之Nature Physics期刊)

(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

 

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

 
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  • 來源:Brau, F., D. Lanterbecq, L.-N. Zghikh, V. Bels, and P. Damman. 2016. Dynamics of the prey prehension by chameleons through viscous adhesion: a multidisciplinary approach. Nature Physics, 12(10): 931-935.
     
  • 延伸閱讀:
     
    • Anderson, C. V. 2016. Off like a shot: scaling of ballistic tongue projection reveals extremely high performance in small chameleons. Scientific Reports, 2016(12): 18625-1-9 (+ 7 pp. Supplementary Materials).
    • Festo AG & Co. KG. 2017. FlexShapeGripper: gripping modelled on a chameleon’s tongue. Festo Brochure (Visit date: 2017/06/12).
    • Radford, T. 2016. Lickety-split: smallest chameleons have fastest tongues. The Guardian / Science, January 4, 2016.
    • Veiled chameleon. 2017. Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Veiled_chameleon (Visit date: 2017/06/12).
     
 
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