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蟹，肉厚肥嫩，味美色香，各個(gè)部位口感不同，但都鮮美的無法形容。

蟹肉嫩滑彈牙，蟹黃鮮香油脂細(xì)膩，蟹膏口感豐腴圓潤。

一提到吃螃蟹，小編的口水就不爭氣的從嘴角留下來。

除了肥嫩味美，大自然還賜予了螃蟹堅(jiān)硬的外殼和靈活的身體。

捉過螃蟹的小伙伴都知道，螃蟹跑的是很快的，據(jù)說跑得最快時(shí)甚至可達(dá)每小時(shí)40公里速度，能夠捕食并以最快的反應(yīng)速度逃離危險(xiǎn)，那是什么讓螃蟹能夠如此靈活的移動(dòng)呢？

秘密就藏在蟹螯的關(guān)節(jié)上。

蟹螯的關(guān)節(jié)由一系列共軛表面和柔性組織組成，不僅可以使爪子穩(wěn)定且靈活的移動(dòng)，還能大力的夾住敵人。

這種結(jié)構(gòu)能為科學(xué)帶來什么啟示呢？

最近，中國西安交通大學(xué)的研究人員受蟹鰲關(guān)節(jié)的啟發(fā)，首次提出一種具有反向共軛面的剛?cè)嵋惑w的外骨骼模型，這種方法融合了生物關(guān)節(jié)優(yōu)勢與人體運(yùn)動(dòng)特性，克服了目前外骨骼設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、適配性差等缺陷，促進(jìn)更穩(wěn)定，更結(jié)實(shí)的外骨骼的發(fā)展。

▍解剖節(jié)肢動(dòng)物獲靈感，突破傳統(tǒng)外骨骼邊界

外骨骼可以提高使用者的力量，能力和穩(wěn)定性，幫助他們輕松舉起百斤重量，或康復(fù)治療。目前，大多數(shù)外骨骼都是使用“軸旋轉(zhuǎn)”或“N型桿”來作為外骨骼肢體之間的關(guān)節(jié)，可以很好地復(fù)制人體的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。

但“軸旋轉(zhuǎn)” “N型桿”的弊端在于，如果外骨骼中使用大量這樣的結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性會隨著連接關(guān)節(jié)數(shù)量的增加而降低。當(dāng)然也有直接使用軟材料作為關(guān)節(jié)的，但軟外骨骼無法為癱瘓的肢體提供高精度的扭矩和運(yùn)動(dòng)。

為了突破傳統(tǒng)外骨骼關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)的邊界，中國西安交通大學(xué)的研究人員解剖并觀察了多種節(jié)肢動(dòng)物的關(guān)節(jié)，典型的幾種包括：蝗蟲、螃蟹和龍蝦。

蝗蟲是昆蟲類節(jié)肢動(dòng)物彈跳能力最好的一種，研究人員對于其進(jìn)行了大量的解剖研究，它的彈跳關(guān)節(jié)是一對可以旋轉(zhuǎn)的共軛表面鉸接結(jié)構(gòu)，并且具有柔性組織，由此，研究團(tuán)隊(duì)初步提出了具有一對共軛面的剛?cè)嵋惑w的關(guān)節(jié)模型。

為了探索該關(guān)節(jié)模型的普遍性，他們進(jìn)一步選擇了水生甲殼類動(dòng)物，也就是對螃蟹和龍蝦進(jìn)行了解剖研究，同樣地，發(fā)現(xiàn)螃蟹和龍蝦的螯關(guān)節(jié)也具有錐形的共軛表面結(jié)構(gòu)和一定的柔性組織，與外骨骼的剛性鉸鏈相對應(yīng)，柔性組織充當(dāng)關(guān)節(jié)的順應(yīng)性連接器，為關(guān)節(jié)提供潤滑并限制其旋轉(zhuǎn)范圍。

解剖實(shí)驗(yàn)表明，該模型有效地復(fù)制了螃蟹和龍蝦四肢移動(dòng)的方式，這進(jìn)一步驗(yàn)證了該關(guān)節(jié)模型在節(jié)肢動(dòng)物中的普遍性。

▍優(yōu)化的節(jié)肢動(dòng)物關(guān)節(jié)模型

從生物學(xué)的角度來看，節(jié)肢動(dòng)物的外骨骼關(guān)節(jié)長期使用磨損后，可以通過蛻皮進(jìn)行修復(fù)；然而，對于人類的外骨骼，一旦結(jié)合物表面磨損，則損壞是無法修復(fù)的。

因此，研究人員進(jìn)一步提出了一種具有反向共軛表面以避免磨損的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，在旋轉(zhuǎn)過程中用滾動(dòng)摩擦力代替了滑動(dòng)摩擦力。

具體來說，他們采用十字板連接對稱共軛面，使共軛面的相對運(yùn)動(dòng)為純滾動(dòng)，有效地減小了相對摩擦；橫板在兩個(gè)共軛表面之間提供了穩(wěn)定的連接，并確保了兩個(gè)共軛表面之間的同步運(yùn)動(dòng)。

為了驗(yàn)證該模型的性能，研究人員將其應(yīng)用在人手外骨骼的康復(fù)中。

通過與人手指尖末端軌跡擬合，關(guān)節(jié)模型的輸出端能夠精確擬合多特征點(diǎn)軌跡；與常見的連桿結(jié)構(gòu)相比，剛?cè)嵋惑w的共軛面結(jié)構(gòu)更簡單，傳動(dòng)效果更加高效，擬合也更精確。

▍下一步，讓外骨骼真正聽從內(nèi)心真實(shí)想法

這項(xiàng)研究由西安交通大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)首次提出，并發(fā)表于IEEE Access雜志上。

以節(jié)肢動(dòng)物為靈感的關(guān)節(jié)模型可用于構(gòu)建更有效的外骨骼或其他機(jī)器人結(jié)構(gòu)，以用于各種應(yīng)用，包括康復(fù)或增強(qiáng)人類能力。與其他外骨骼設(shè)計(jì)策略相比，它可以使人類更加自由自然地運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還可以確保對人體的充分支撐。

該研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在仿生關(guān)節(jié)領(lǐng)域研究了多年，并表示：“接下來，我們將進(jìn)展到功能的研究、材料的優(yōu)化，推動(dòng)該技術(shù)在康復(fù)領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用，以及最重要的方面——將其與腦機(jī)接口、肌電解碼、無線通訊等技術(shù)有機(jī)地它整合到一起，從而讓假肢真正聽從內(nèi)心真實(shí)想法，更加靈活地執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作。”

【參考鏈接】

https://ieeexplore.ieee.org/document/9316259/figures#figures

https://techxplore.com/news/2021-02-bio-inspired-joint-robotic-exoskeletons.html