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从自然界学到的构筑立体方法

从自然界学到的构筑立体方法 2011年12月03日 来源： 仔细观察下图，就会发现该图是一笔描绘下来的。由一条线形成一个面，这个面又形成了三维立体构造。 该图是以一种生物的动作以及这些动作形成的立体为范本绘制的。这种生物能够利用一条1300～1500m长的丝构筑立体构造。 目前正有人让机器人模仿这种生物的动作，使机器人也能构造出具有相同特点的立体。如果这项研究能够顺利推进的话，将来或许机器人就能进入原子能发电站的配管修补缺损处，或者将机器人送入宇宙，建造无柱太空站。 那么蕴含着这种可能性的生物动作到底是什么呢？

用一条丝构建立体的生物，这就是蚕。两种液状蛋白质通过蚕的丝腺器官后，可形成蚕丝，并且蚕只需用蚕丝即可结成蚕茧。 蚕的动作主要有两个特点。第一个特点是可只用一种材料构建三维物体。既不需要螺丝也不需要焊接。在前面提到的维修配管设备或建造太空站时，只需携带丝线或者作为原料的液体，机器人就能“只身一人”完成任务。 第二个特点是可灵活地适应作业环境。视觉不发达的蚕，通过躯体触碰后获得的触感来识别周围的环境，并根据环境吐丝结茧。比如，在养蚕使用的名为“簇具”的方格形工具中，蚕首先要确认四面簇具壁。接下来会选择一个用来固定躯体下部的“立足点”，然后吐丝结茧，将自己包在被簇具壁包围的空间内。另外，蚕还可在簇面上支起木棒的地方，在簇面和木棒之间搭建一个类似马戏团帐篷的圆锥形支架，然后在里面吐丝结茧（4，5）。如果能够应用蚕的这种动作特点，便可在配管设备这样的狭窄场所，以及宇宙空间这样的不稳定场所构建立体。

（1）模仿蚕吐丝动作的机器人 （2）图1的成形头 （3）蚕型机器人的设想图 （4）在簇面和木棒之间形成支架，在里面吐丝结茧 （5）在三维坐标上表示图4的支架（红色）与蚕茧（黄色）

日本信州大学纤维学院纤维系统工程系准教授森川英明等人对蚕的这种行为进行了三维测量，分析了其吐丝结茧的原理。然后根据“8”字形吐丝轨迹图制成了模型。森川等人已根据研究结果开发出了两种机器人。 第一种是模仿蚕吐丝行为的机器人（图1）。这种机器人以安川电机生产的6轴垂直多关节型机器人为基础开发而成。在机械手顶端安装了供丝部，以及对从供丝部拉出的丝线进行加热焊接的成型头（2）。 此处使用的丝线也从蚕丝中得到了启发。丝线为复合纤维，模仿了由作为芯材的蚕丝蛋白以及包覆蚕丝蛋白并作为粘合剂的丝胶这两种蛋白质构成的蚕丝，在玻璃纤维表面涂上了一层聚丙烯。利用成型头进行加热，便可焊接丝线之间的接点。 第二种是模仿蚕摆动上体来构建三维构造体的动作，在顶端部分伸缩的同时以三维方式工作的机器人。这种机器人由日本Industry Network（长野县冈谷市）制造。 森川等人目前还在考虑模仿蚕躯体构造的机器人（3）。这是一种兼具上述两种机器人特点的真正的桑蚕机器人。如果制造出了这种机器人，或许使其活跃于宇宙空间及配管设备领域的设想就会变成现实。 (end)

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