壁虎機(jī)器人

　　1各國(guó)發(fā)展

　　美國(guó)

　　美國(guó)科學(xué)家日前稱(chēng)，一種具有粘性腳足的壁虎狀機(jī)器人也許會(huì)在不久出現(xiàn)在我們身邊。“壁虎機(jī)器人”足底有數(shù)百萬(wàn)個(gè)極其微小的毛發(fā)，借助這些毛發(fā)，它就能“飛檐走壁”。每根毛發(fā)通過(guò)一種稱(chēng)為范德瓦爾斯力的分子間力吸附在墻壁，從而令足底粘在上面。

　　“壁虎機(jī)器人”稱(chēng)為“粘蟲(chóng)”(Stickybot)，由美國(guó)斯坦福大學(xué)教授馬克·庫(kù)特科斯基的研究小組開(kāi)發(fā)，足底長(zhǎng)著人造毛(由人造橡膠制成)。這些微小的聚合體毛墊能確保足底和墻壁接觸面積大，進(jìn)而使范德瓦爾斯粘性達(dá)到最大化。

　　美國(guó)五角大樓已有興趣開(kāi)發(fā)爬行手套和爬行鞋，這些都是受壁虎的活動(dòng)啟發(fā)。庫(kù)特科斯基表示，“粘蟲(chóng)”式機(jī)器人還可作為行星探測(cè)器或救援裝置使用。

　　參與研制這種機(jī)器人的科學(xué)家MarkCutkosky解釋了這種神奇吸力手的原理，在每個(gè)吸力手上，都有數(shù)百萬(wàn)根由人造橡膠制造的毛發(fā)，每根細(xì)毛的直徑大約只有500個(gè)納米左右，比人類(lèi)的毛發(fā)還細(xì)很多，每根這種毛發(fā)的長(zhǎng)度則只有不到2微米，這使得“粘人”的吸力手能非常的接近玻璃壁的表面，這樣的結(jié)構(gòu)還能夠使得人造橡膠毛發(fā)中的分子和玻璃壁分子的距離異常接近。

　　此時(shí)，兩者的分子們之間會(huì)產(chǎn)生一種奇異的自然現(xiàn)象，分子弱電磁引力，也叫“范德瓦爾斯力”。每一對(duì)這種力大約可以幫助毛發(fā)產(chǎn)生抓起一只螞蟻的力量。

　　雖然每一對(duì)力并不大，但是數(shù)百萬(wàn)根毛發(fā)產(chǎn)生的這種吸力卻能夠產(chǎn)生驚人的力量。根據(jù)斯坦福大學(xué)分子物理學(xué)科學(xué)家們的研究，2平方毫米大小內(nèi)的100萬(wàn)根這樣的毛發(fā)就能夠支持提起20公斤重量。所以要讓機(jī)器人能夠附著在直壁上，吸力手只需要增大分子接觸面。

　　在每根毛發(fā)的末梢，還有上千根更加細(xì)小的毛發(fā)分枝，每根毛發(fā)分枝的前端又有一個(gè)分叉。無(wú)數(shù)的這種“范德瓦爾斯力”集合起來(lái)，“粘人”機(jī)器人也就自然能在墻壁上行走了。事實(shí)上，壁虎也是使用了手掌上數(shù)百萬(wàn)級(jí)的被稱(chēng)為“剛毛”的毛發(fā)完成同樣的工作的。

　　這項(xiàng)發(fā)明可不僅僅是為了樂(lè)趣，MarkCutkosky表示，由于“粘人”機(jī)器人的爬墻能力并不像此前，利用真空吸盤(pán)靠大氣壓力吸附在垂直壁上的機(jī)器人那樣依賴(lài)大氣壓，所以這種新機(jī)器人在將來(lái)可以用在太空探索、空間衛(wèi)星維修和特殊環(huán)境的救險(xiǎn)中。

　　此外“粘人”機(jī)器人也引起了美國(guó)軍方的關(guān)注，他們希望能夠進(jìn)一步開(kāi)發(fā)這種產(chǎn)品，讓它們能為特種作戰(zhàn)的士兵提供爬行手套和爬行服裝。[1]

　　中國(guó)

　　2011年南京航空航天大學(xué)就研發(fā)出了能代替人來(lái)執(zhí)行探測(cè)，拍攝等任務(wù)的仿生壁虎機(jī)器人，除了外形長(zhǎng)的像壁虎，這個(gè)仿壁虎機(jī)器人還能代替人類(lèi)來(lái)執(zhí)行反恐偵查、地震搜救等“高難度”的任務(wù)，并且受邀參加了國(guó)家“十一五”重大科技成就展。

　　南航第一代的“大壁虎”仿生機(jī)器人在2004年就已經(jīng)問(wèn)世。通過(guò)7年的更新完善，在改善了運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)、遠(yuǎn)程控制以及電動(dòng)機(jī)更新等問(wèn)題的基礎(chǔ)上，終于在2011年成功實(shí)現(xiàn)了大壁虎90度的自由爬行。而這個(gè)科研項(xiàng)目也在2006年得到了國(guó)家自然基金的重點(diǎn)項(xiàng)目支持。

　　機(jī)器“大壁虎”通體由白色鋁合金組成，長(zhǎng)150毫米（不連尾巴），寬50毫米左右，而且在不包含電池的狀況下的重量只有250克！不光和真壁虎一樣有“四肢”，還有一條同樣為鋁合金材質(zhì)的長(zhǎng)尾巴。“大壁虎”采用的是可充電的鋰電池來(lái)提供電源，通過(guò)芯片來(lái)進(jìn)行控制?？梢詫?shí)現(xiàn)在垂直90度的平面上實(shí)現(xiàn)爬行。

　　2原理

　　原來(lái)壁虎能牢牢吸附在墻壁上的本質(zhì)是依據(jù)“范德華力”（分子間作用力，其實(shí)質(zhì)是一種電性的吸引力）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它的腳上有50萬(wàn)根細(xì)毛，粗細(xì)從幾μ到幾十納米不等，只相當(dāng)于頭發(fā)直徑的千分之一。為了能讓仿壁虎機(jī)器人也逐漸向這樣的“無(wú)障礙”爬行目標(biāo)“看齊”，戴振東和他的團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)嘗試了不下十種方法來(lái)做“毛”，最終成功仿照剛毛吸附原理，通過(guò)特殊材質(zhì)成功讓仿壁虎機(jī)器人牢牢“吸”在了垂直90度的墻面上。

　　仿壁虎機(jī)器人通過(guò)模擬壁虎微細(xì)結(jié)構(gòu)，模擬大壁虎腳掌基于分子間的“范德華力”，采用仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿生步態(tài)規(guī)劃、腳掌粘附性能測(cè)試等方法，成功實(shí)現(xiàn)了仿壁虎機(jī)器人90度爬壁運(yùn)動(dòng)。

　　3應(yīng)用

　　仿生壁虎機(jī)器人將來(lái)的推廣范圍非常廣泛。像反恐偵查，人質(zhì)被扣押在一個(gè)密閉的空間里，外人無(wú)法進(jìn)去的時(shí)候，我們的仿壁虎機(jī)器人就能派上大用場(chǎng)。“大壁虎”可以背著攝像機(jī)“潛”入密閉空間，拍攝下人質(zhì)所在位置的畫(huà)面，從而給狙擊手提供第一手的及時(shí)信息，幫助狙擊手準(zhǔn)確找準(zhǔn)位置。

　　除此以外，仿生壁虎機(jī)器人在地震搜救的過(guò)程中也能發(fā)揮巨大的作用。像一些地震救援隊(duì)無(wú)法找到的領(lǐng)域，仿壁虎機(jī)器人憑借著小巧的優(yōu)勢(shì)就能輕易找到，并且及時(shí)通報(bào)給救援隊(duì)廢墟下有沒(méi)有被壓埋的人。

　　4相關(guān)案例

　　仿生機(jī)器“神行者”

　　SimulationRobotGecko"SpeedyFreelander"

　　仿生機(jī)器人壁虎“神行者”

　　中國(guó)《科技日?qǐng)?bào)》2008年11月15日?qǐng)?bào)導(dǎo)，珠海新概念航空航天器有限公司科技人員研制成功仿生機(jī)器人壁虎“神行者”。　　中國(guó)仿生機(jī)器壁虎“神行者”是世界上唯一能夠真正全面模擬自然界壁虎的人工智能微型壁虎機(jī)器人，有可能在不久的將來(lái)廣泛應(yīng)用于搜索、救援、反恐，以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)考察。

　　仿生機(jī)器壁虎“神行者”是一種新概念微型智能機(jī)器人，能在各種建筑物的墻面、地下和墻縫中垂直上下迅速攀爬，或者在天花板下倒掛行走，對(duì)光滑的玻璃、粗糙或者粘有粉塵的墻面以及各種金屬材料表面都能夠適應(yīng)，能夠自動(dòng)辨識(shí)障礙物并規(guī)避繞行，機(jī)動(dòng)靈活。

　　在自然界，壁虎依靠神奇的四腳靜止時(shí)緊緊吸附，移動(dòng)時(shí)輕松脫離。許多對(duì)壁虎腳足剛毛的研究認(rèn)為，壁虎之所以能夠攀檐走壁，完全是壁虎腳與攀爬對(duì)象之間“范德華力”作用的結(jié)果。因此，多年來(lái)各國(guó)科研人員都致力于用納米材料來(lái)模仿壁虎腳剛毛，并制造了各式各樣的“機(jī)器壁虎”。然而，這些體積龐大的“機(jī)器壁虎”大都只能局限于在光滑的物體表面小心翼翼地緩慢移動(dòng)，需要外接供電，無(wú)法有效可靠地控制機(jī)器壁虎“強(qiáng)吸附”與“弱脫附”過(guò)程，不能控制機(jī)器壁虎的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和方向，更不能克服萬(wàn)有引力的作用倒立在天花板下迅速運(yùn)動(dòng)。

　　珠海新概念航空航天器有限公司的科技人員認(rèn)為：人類(lèi)之所以能夠走跑跳，絕非僅僅是因?yàn)槿祟?lèi)有一雙腳，壁虎也一樣，腳只是生物測(cè)量傳感綜合分析運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行終端而已。因此，僅僅研究和模仿壁虎的腳及其表面能力是東施效顰，不可能造出有實(shí)用意義的機(jī)器壁虎。通過(guò)長(zhǎng)期的探索研究，珠海新概念航空航天器有限公司的科技人員提出并建立了機(jī)器壁虎創(chuàng)新科學(xué)理論及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)，而仿生機(jī)器壁虎“神行者”則是基于該理論及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)的初步成果。