告別磁鐵和吸盤！中國團(tuán)隊(duì)造出生物履帶，讓機(jī)器人成水陸兩棲壁虎

一種新型自適應(yīng)剛軟混合履帶，讓機(jī)器人在水陸之間輕松穿梭。

在仿生機(jī)器人接連取得突破之際，中國團(tuán)隊(duì)完成了一項(xiàng)關(guān)鍵的能力融合。他們成功研制出全球首個(gè)能穩(wěn)健實(shí)現(xiàn)水空界面無縫穿越的仿生攀爬機(jī)器人。

這項(xiàng)來自西安交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的突破性成果，于近期發(fā)表在國際權(quán)威期刊《Science Advances》上，為解決機(jī)器人如何在復(fù)雜多變、甚至充滿風(fēng)險(xiǎn)的真實(shí)環(huán)境中穩(wěn)定工作這一難題，提供了一個(gè)精巧的仿生學(xué)方案。

▍現(xiàn)實(shí)難題：現(xiàn)有爬墻機(jī)器人，本領(lǐng)單一怕跨介

在我們的設(shè)想中，理想的作業(yè)機(jī)器人應(yīng)該是個(gè)全能選手。

它既能在地面巡查，也能在墻壁、天花板上攀爬；既能在干燥的室內(nèi)工作，也能潛入水下執(zhí)行任務(wù)；面對金屬、玻璃、瓷磚等不同材質(zhì)的表面，都應(yīng)能全盤吸收，牢牢吸附。

這類機(jī)器人有望替代人類，在核電站管道檢查、災(zāi)害現(xiàn)場救援、水下設(shè)施監(jiān)測等高風(fēng)險(xiǎn)或人力難以到達(dá)的場景中大顯身手。

跨介質(zhì)攀爬機(jī)器人的任務(wù)設(shè)想圖

然而，現(xiàn)實(shí)中的大多數(shù)攀墻機(jī)器人卻是個(gè)偏科生。現(xiàn)有的吸附機(jī)制各有各的短板：

磁吸附：只能認(rèn)準(zhǔn)鐵磁性表面。

負(fù)壓吸附：需要光滑密封的表面，一旦漏水漏氣就失效，且能耗很高。

仿壁虎干性粘附：在干燥環(huán)境下表現(xiàn)優(yōu)異，但一到水下就抓瞎。

仿章魚吸盤：在水下是一把好手，離開水后吸附力便大打折扣。

更關(guān)鍵的是，當(dāng)機(jī)器人需要從水下爬到空中，或從空中進(jìn)入水下時(shí)，能力就全然喪失。就例如從池塘里浮出水面進(jìn)行觀測，動態(tài)變化的浮力、阻力以及介質(zhì)轉(zhuǎn)換帶來的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境，極易導(dǎo)致機(jī)器人失穩(wěn)、滑動甚至翻滾。

跨介能力不足，嚴(yán)重限制了機(jī)器人的應(yīng)用舞臺。

▍自然靈感：壁虎的腳與章魚的觸手

面對這些挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)將目光投向了自然界中早已掌握跨介質(zhì)附著秘密的兩位大師：壁虎和章魚。

壁虎能在光滑的玻璃上飛檐走壁，其秘訣在于腳底密布的、微米級的分叉剛毛。這些剛毛通過范德華力與接觸面產(chǎn)生強(qiáng)大的吸附力，這種力對材料不敏感，在干燥環(huán)境下非常有效。

章魚則能在水下牢牢抓住各種獵物，甚至是在垂直的壁面上移動，依靠的是觸手上的吸盤。吸盤通過排空腔體形成負(fù)壓產(chǎn)生吸附，同樣不受材料限制，尤其擅長水下環(huán)境。

研究團(tuán)隊(duì)的巧思在于：何不將二者的優(yōu)勢合二為一？

他們創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了一種名為空心蘑菇狀粘附微結(jié)構(gòu)（HMSAMS）的特殊單元。這種結(jié)構(gòu)頂部有一個(gè)像壁虎剛毛一樣的蘑菇狀帽檐，用于產(chǎn)生范德華力；同時(shí)它又是空心的，像章魚吸盤一樣可以形成負(fù)壓。

仿生MSAMS的微觀形態(tài)特征和粘附性能

▍核心突破：1+1>2的仿生“膠帶”

這種新型微結(jié)構(gòu)，在干燥和水下都展現(xiàn)出了驚人的粘性。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，一塊由這種微結(jié)構(gòu)組成的貼片，在干燥環(huán)境下能達(dá)到約240千帕的法向吸附強(qiáng)度，在水下甚至能提升到 約290千帕。

這相當(dāng)于每平方厘米可以提起約3公斤的重物。在實(shí)際演示中，一小塊貼片就能輕松吊起砝碼、特氟龍板等各類物品。

HMSAMS貼片強(qiáng)大的粘附性能演示

更巧妙的是，這種粘附力性價(jià)比極高。只需施加很小的預(yù)壓力（比如用手輕輕一按），就能激發(fā)出巨大的吸附力，吸附力與預(yù)壓力的比值最高可達(dá)近800倍。

這意味著機(jī)器人可以用很小的能耗就實(shí)現(xiàn)牢固附著，這對于需要長時(shí)間作業(yè)或攜帶有限能源的機(jī)器人來說至關(guān)重要。

▍更高明的設(shè)計(jì)：讓“膠帶”自己會適應(yīng)

僅有強(qiáng)力的粘附性還不夠。如何讓機(jī)器人像真正的壁虎或章魚一樣，在剝離時(shí)不易脫落，在崎嶇表面也能緊密貼合？

團(tuán)隊(duì)再次從生物結(jié)構(gòu)中獲得啟發(fā)。

壁虎的腳毛和章魚的吸盤都是離散分布的，這種結(jié)構(gòu)能有效阻止吸附界面裂紋的擴(kuò)展，防止一處失效導(dǎo)致整個(gè)腳掌脫落。

受此啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)沒有將粘附微結(jié)構(gòu)鋪滿整個(gè)履帶，而是將其制作成一個(gè)個(gè)離散的貼片，并像“核殼”一樣，在柔軟的粘附層下嵌入一小塊堅(jiān)硬的陶瓷片。

這模仿了壁虎腳趾中的骨骼和章魚觸手中的軟骨功能，能夠優(yōu)化應(yīng)力分布，極大地提升了抗剝離能力。實(shí)驗(yàn)顯示，帶有這種硬核的貼片，其剝離閾值（即被撕下來所需的力量）比傳統(tǒng)連續(xù)軟層設(shè)計(jì)高出138%以上。

為了讓機(jī)器人能適應(yīng)不平整的表面，團(tuán)隊(duì)又在履帶基底中設(shè)計(jì)了一排排離散的柔軟柱狀結(jié)構(gòu)。

這模擬了生物肌肉的柔軟性和變形能力，使得整個(gè)履帶在宏觀上能像章魚的觸手一樣，彎曲、貼合在曲面或凹凸不平的物體上，大大增強(qiáng)了接觸適應(yīng)性和穩(wěn)定性。

▍終極形態(tài)：能上天入水的跨介質(zhì)機(jī)器人

集成了這種創(chuàng)新履帶的機(jī)器人，展現(xiàn)出了令人印象深刻的跨介質(zhì)攀爬能力。

機(jī)器人本體重約485克，依靠兩個(gè)主動輪驅(qū)動，并由一個(gè)負(fù)壓吸附系統(tǒng)提供輕柔的預(yù)壓力以激活履帶的粘附力。

在干燥的垂直玻璃墻上，它能穩(wěn)健爬行。

完全浸沒在水下時(shí)，它同樣能在垂直壁面上移動自如。

最精彩的，是穿越水-空氣界面。機(jī)器人可以以不同的角度，從水下沿著墻壁“走”出水面，也可以從空氣中爬入水下，過程平穩(wěn)流暢，沒有出現(xiàn)打滑或翻滾。

機(jī)器人平穩(wěn)穿越水-空氣界面

在進(jìn)一步的演示中，這款機(jī)器人證明了其廣泛的應(yīng)用潛力：

√全天候監(jiān)視：可以在雨天附著在潮濕的墻壁甚至天花板上進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測。

√隱蔽偵察：潛伏在不透明的水下，需要時(shí)再浮出水面觀察。

√危險(xiǎn)環(huán)境作業(yè)：在模擬的核電站不銹鋼水槽壁面上自由出入水。

√狹窄空間穿梭：在寬度僅10厘米的垂直縫隙或低矮管道中穿行，完成空間受限的任務(wù)。

跨介質(zhì)機(jī)器人在不同場景下的應(yīng)用演示

▍未來：可持續(xù)且智能的機(jī)器人之路

這項(xiàng)研究最值得稱道的，不僅是它創(chuàng)造了一個(gè)能飛檐走壁且入水不沉的機(jī)器人，更是它提供了一種融合多種生物智慧、通過精巧的被動式機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來解決復(fù)雜工程問題的范式。

它無需復(fù)雜的電子傳感和實(shí)時(shí)力反饋控制，僅憑材料與結(jié)構(gòu)的本性，就實(shí)現(xiàn)了高性能、低能耗、高適應(yīng)性的吸附與運(yùn)動。

可以預(yù)見，隨著仿生學(xué)、材料科學(xué)與機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)一步交融，未來將有更多“師法自然”的機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室，潛入深海、攀上高塔、穿梭于我們難以企及的角落，成為人類探索與守護(hù)世界的得力伙伴。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea8014