【CC讲坛】吴嘉宁：回归本真的仿生智慧
仿生的意义不单单是仿形，更是仿功能。小到蜜蜂，大到大象，动物们进化出很多适应环境的身体机能和生存策略，站在动物的角度去思考，就会有助于我们突破更多的认知瓶颈。
中山大学航空航天学院副教授，博士生导师
大家好，我是中山大学的吴嘉宁，研究方向仿生机械及航天工程应用。我是一位学机械出身的、善于数学建模的、钟爱动物的研究者。大家常见的一些机械，小到无人机自行车，大到火箭卫星飞机，都是我们的研究对象。我擅长用动物的仿生智慧，去解决一些关键的科学问题与工程问题。
首先，说到动物，我跟大家做一个简单的测试，看看大家对于这些问题是否有一定见解：蜜蜂有没有舌头？饮蜜是靠吸还是舔？象鼻和人手，哪个更灵巧？象鼻的鼻孔有没有鼻毛？
2012年4月，当时我在清华园图书馆外面的花丛中，偶然发现了停留在花朵上的蜜蜂用细长的口器通过某种肉眼无法看清的形式来摄取花蜜。蜜蜂飞行、降落、饮蜜的过程一气呵成，仿佛是在花朵间游走的精灵。喜欢刨根根问底的我突然想到一个问题，蜜蜂是怎样在非常短的时间内完成饮蜜的？于是我查阅了大量文献，来看关于蜜蜂如何饮蜜的。
昆虫学家给出的解释停留在1956年Snodgdrass给出的一本书《Anatomy of the Honey Bee》，他的介绍是蜜蜂用往复运动的毛刷状的舌头（也就是中唇舌）来饮蜜。而当时并没有微观摄影技术，作者对于蜜蜂饮水时舌头运动的规律并没有进行详细观测和量化分析。
机械和力学的工科背景告诉我，这种饮蜜的行为是非常有挑战性的。花蜜的主要成分是蔗糖；蔗糖溶液的粘度随着浓度是指数级增长的。好比是花蜜浓度从20%到70%，粘度并没有仅仅升高3.5倍，而是升高了180倍。自然界的花蜜浓度中位数是35%，当蜜蜂饮用高浓粘度的花蜜时，可能产生很大的粘滞阻力，这种粘滞阻力可能造成蜜蜂舌头结构的迅速损坏。这好比是用一个毛刷放在清水里面和浓粘度很高的油漆里面蘸取，他们所受的力相差可能百倍。自然地，油漆中毛刷的磨损要远快于清水中的。而现实中的蜜蜂却能安然无恙，可以连续采蜜一个月以上，据我们后来测算，一只意蜂的工蜂一生可以往复运动百万次以上，如果没有一种减阻的调控机制的话，蜜蜂可能无法实现长时间高效花蜜转运。蜜蜂是如何适应这种挑战的呢？
为了揭开这个谜团，经过将近半年的构思和尝试，我开始了观测蜜蜂饮水行为的实验。第一步是养殖蜜蜂。我从北京香山的蜂农那里买来了一箱蜜蜂，在拥挤的清华园，户外没有合适的位置。我自己给蜜蜂“装修”了一个室内的“家”，由蜂巢、活动区域和空调系统组成。蜜蜂在这个家里面可以活很久，甚至是户外大雪纷飞的冬天，他们都能出来活动——这为我近距离观察它们提供了绝好的机会。第二步，我用简陋的装置，一台显微镜+一个试管+一滴蔗糖水观测了蜜蜂饮水的过程，在显微镜下面观测了初步的蜜蜂中唇舌饮水的特性。通过我的目测，我初步做出了蜜蜂中唇舌的刚毛可能是主动运动的猜想。但是由于蜜蜂中唇舌在运动过程中速率过快，我并没有看到清晰的影像。
2012年6-11月，我前往了加拿大阿尔伯塔大学进行暑期研修，开始了另外一个交叉学科的课题，磁流体液滴的碰撞特性观测。做到后期出现了瓶颈，那就是我们一直依赖的相机，仅仅能够拍摄将近10 cm高度的视窗——而这么小的视窗根本无法拍摄整个液滴坠落时的动态形状。而我的导师Alidad Amirfazli教授在我面前放了三个乐高积木块，之后用手把这三个乐高积木块压在了一起，提示我用视窗拼接的方法来拍摄整个液滴在坠落过程中的行为。在他的指导下，我顺利解决了问题，拍摄到了磁流体液滴在磁场作用下、飞行过程的变形特性。我突然意识到，我是否可以用这种拼接的方法，组合实验设备来观测蜜蜂的饮蜜行为呢？
回到清华，直到2014年，把一台固定式显微镜和高速摄像机进行了改装，自制了一个带有狭缝的水槽，把蜜蜂放进去观察。在这期间，经历了无数的坎坷——从最初被蜜蜂叮咬后全身起疹，到后来可能产生了某种免疫而叮咬后再无反应，直到有一天深夜我用改进的实验装置记录下了蜜蜂饮蜜的完整过程。
这可能是人类历史上第一次完整观察蜜蜂中唇舌的运动规律。我们发现，蜜蜂中唇舌的运动频率很高，达到了每秒往复运动5次。这种“小且快”的运动是肉眼无法直接观测到的。此外，我们惊奇地观测到，蜜蜂中唇舌的刚毛是“动态运动的”，即入蜜时刚毛处于收拢状态，之后出蜜时刚毛处于展开状态。
通过理论建模，这种入蜜的刚毛收拢和出蜜的刚毛打开的形式，可以减少60%以上的能耗。由于蜜蜂刚毛的长度-直径比在26左右，属于长细杆，因此很容易磨损。而中唇舌整体的外径越大，受到的液体粘滞阻力越大，则刚毛越容易磨损。利用这种如水收拢，出水张开的刚毛策略，蜜蜂中唇舌使用寿命得以延长。我们不禁感叹，长久的进化可能促成了蜜蜂中唇舌这种特异的行为，从而让它在进化中胜出，成为了饮蜜的能手。那么，我们不禁要问，这种优异的流体转运行为究竟有怎样的仿生运用呢？
于是我们想到了一个典型运用，那就是医疗检测用微流量泵。这个运用目标是将一滴血液通过微流量泵，转运至各个反应池，发生反应，之后进行诸如血糖检测、血脂检测甚至是病原体检测等。
现有的微流量泵基本上有两种，左边的是鼓室序进驱动，而viscous pump是利用小型旋转电机。对于高粘度，低流量的微流量泵而言，这两种泵分别不能满足高功率和低流量的要求。而我们知道，对于类似于血液检测的领域而言，需要一种转运高浓粘度、低流量的微流量泵，而目前的这两种微流量泵都无法达到需求。
而自然赐予我们的仿生智慧——蜜蜂却可以完成这样高效的、高浓粘度、低流速的转运，恰好填补了现有微流量泵的能力空白。这种表面动态的刚毛激发了我们设计一款新型的微流量泵。
这种由我们研发的微流量泵主要的构件，就是仿照蜜蜂中唇舌制作的一个刚毛可以直立的“毛刷”。
当转运血液时，毛刷进入粘性流体时，刚毛收拢；当毛刷退出粘性流体时，刚毛打开，从而实现粘性流体的微流量泵送。这样，我们作为“大自然精巧设计的搬运工”，设计了一款新型的微流量泵。
通过理论计算，这一款微流量泵与现有两种微流量泵相比，可以至少减少20%的能耗。可能这款微流量泵会更加微型化、智能化和高寿命——这为它在医疗检测等行业的运用创造了更大可能。
受蜜蜂饮蜜策略的启发，我们课题组研制了一种新型的仿生微流量泵，转运血液或其他高浓粘度的流体。未来，我们可能通过仿蜜蜂中唇舌的微流量泵，实现血液的精确检测——例如，我们可以通过这一款仿生微流量泵，对血糖浓度实现实时监控，之后完成血糖的精确调控。和传统微流量泵相比，仿蜜蜂中唇舌的微流量泵可以至少完成100倍跨度的微流体转运，大大提升了微流量泵对于转运液体的适应性。这意味着，该款微流量泵可能对于不同患者的体液的物理特性都有很好的适应性——这对提升精准医疗水平意义重大。
同样是仿生运用，2015年我遇到了一个棘手的问题。我们期待利用仿形设计方法，研发一款软体机器人。这种软体机器人可以在航天器舱内辅助航天员进行科学实验，比如帮助航天员去抓取和操作各种仪器设备等。但是，这要求软体机器人的灵活度是非常高的，在真空的条件下，如果操作不当，既会对航天员造成伤害，也会对空间站精密设备产生损伤。
我试用了很多方法，用硅胶软材料，结合充气气囊结构，并进行了一系列测试。但是，出乎我们预料的是，这个机器人的力控制精度很低。简而言之，就是它经常会出现控制力不稳定的情况，可能出现末端抖动和接触力过大的情况。
于是我联想到我原来的仿生学研究——我们是否可以回归本真，看看象鼻是怎样抓取转运各种柔性物质的呢？
由这样一个工程问题驱动，2015年，我在美国佐治亚理工学院机械工程系和我的合作导师胡立德教授开始了长达3年的象鼻力控制机制研究。于是我成为了亚特兰大动物园象舍的常客，也跟这里的两头母象Kelly和Tara成为了亲密的伙伴，开始了长达近三年的基于动物行为的研究。
一头非洲象基本一天要吃掉100 kg的食物，基本上相当于一分钟要吃180 g。这么大的食量要求大象必须能够取食很大范围种类的食物。小到种子粒，麸子粉，大到树枝甚至西瓜。这就要求象鼻要有非常好的力控制能力，抓取食物且不破坏食物。
我们来量化一下这个问题：象鼻可以抓取直径跨越1000倍的物体，而这种抓取器是非常卓越的——人类设计的抓取器可能并没有象鼻这样强大的适应能力。我们很想知道：象鼻的抓取极限是什么？
为了测试象鼻的极限抓取能力，于是我开始搜罗实验室有什么食物，最后在桌角发现了一种美国人特别爱吃的墨西哥薄脆饼——是一种厚度仅为0.5mm的柔脆食物。对于这种平摊在平面的饼状柔脆食物，即便用人手去翻转抓取，都有很大困难，因为需要把面接触的条件改变的过程中，如果接触力控制不佳，会直接导致饼被压碎。
两头大象自从出生到现在，每天的食谱都有严格的记录。我们反复确认了它们自从出生一直没有吃过墨西哥薄脆饼，连陪伴了它们10多年的饲养员都不确定在没有训练的情况下它们是否可以无损抓取这些薄脆饼——因为原有的认知是认为象鼻可以抓取块状物，加之视力不佳，可能对于这种薄脆饼根本无法驾驭。
但是，事实再一次证明了象鼻强大的抓取能力——Kelly尝试第一次就可以完成柔性抓取，抓取成功率是100%。通过高速视频我们发现，象鼻可以综合利用吸取+柔性抓取的方式在3s内无损抓取，这可能是陆地生物中极少见的抓取模式了。经过测试，象鼻可以把接触力控制到象鼻质量的3%，人只能控制到12%左右，从力控制的意义上讲，象鼻比人手更为灵巧。
象鼻吸气时瞬时气流速度可以达到150m/s，这个速度相当于我们国家最新研制的全球最快磁浮列车的速度。
这里面有两个问题值得我们深入思考：
【问题1】：象鼻怎么能够把将近150kg的无骨象鼻控制到如此小的接触力？
【问题2】：象鼻怎么会产生如此大的气流来吸取物品？
解释这个问题，需要从象鼻的解剖结构入手。传统的见解是，象鼻是无骨的软体结构；但是如果是纯软体的结构，那么控制这个臂体来实现高精度的接触力控制是非
常困难的。好比是控制一根煮熟的面条。
而通过解剖一头自然死亡的大象我们发现，实际上象鼻根本不是纯软体的结构，而它的结构是“表皮-真皮-肌肉层”呈现“硬-软-硬”三层的三明治结构，通过力学建模发现，这种结构有助于实现接触力的精确调控。
而通过解剖一头自然死亡的大象我们发现，实际上象鼻根本不是纯软体的结构，而它的结构是“表皮-真皮-肌肉层”呈现“硬-软-硬”三层的三明治结构，通过力学建模发现，这种结构有助于实现接触力的精确调控。
大象的肺部与人类的肺部差别很大——我们把肋骨比作一个笼子，肺部边界比作一个气球：那么人类的肺部好比是一个笼子里面放着一个和笼子一样大小的气球；而大象的肺部好比是一个笼子里面放着一个比笼子小的气球。因此大象的肺部的有更大的膨胀动度，这为大象产生比人更大的吸气气流提供了保证。
为了进一步量化象鼻的吸气特性，我们比较了将近10种哺乳动物的鼻腔道，利用改装的显微镜测试象鼻、马、猫、小鼠等以及我自己鼻孔内部的结构等。之后发现，象鼻的鼻道是最为光滑的，这种表面特性对于降低象鼻吸取过程中的压力损失至关重要，这也是他能够实现吸气抓取的主要原因。
象鼻之所以能够这样灵巧，可能是长久进化的结果。现生大象的祖先鼻子很短，但是由于食量逐步增大，四肢的作用逐步变为支撑，像是支撑一个巨大屋顶的柱子，灵活性逐步丧失。而大食量的需求又促使象鼻不得不进化出灵巧的操作行为以适应更为广泛的食谱。
那么返回到我们刚才提到的仿象鼻机器人。我们通过研究象鼻，能够得到怎样的仿生应用启示呢？我们按照象鼻“硬-软-硬”的三明治结构改进了仿象鼻机器人的截面设计。通过实验我们发现了，目前接触力的控制误差可以在5%以内，这为软体机械臂在空间舱内的运用提供了更大的可能性。
回归本真的仿生智慧激发我们研制了这样一款高力控制精度象鼻机器人，克服了原有力控制精度低的困难，可以实现与象鼻相当的柔性与高灵巧度操作功能。这款象鼻可以精确定位和抓取柔脆物质，力控制精度可以达到两颗车厘子的重量——这不仅为航天器舱内运用提供了可能性，而且在工业、服务业和健康行业的抓取转运分选操作“轻小细微”的物质场合有绝佳的运用前景。
动物长时间尺度的进化可能让动物具备了某种人不能觉察的能力——而仿生学探知这种能力的工具，也是连接生物与仿生产品的桥梁。
仿生学源自于生物，并且要回归生物。仿生学研究需要从“动物行为-仿生机制-仿生机器人”三个层面展开。仿生学的研究需要回归本真，和动物成为朋友，从动物的角度思考动物，从而提出更为巧妙的仿生设计方法。