壁虎机器人

　　1各国发展

　　美国

　　美国科学家日前称，一种具有粘性脚足的壁虎状机器人也许会在不久出现在我们身边。“壁虎机器人”足底有数百万个极其微小的毛发，借助这些毛发，它就能“飞檐走壁”。每根毛发通过一种称为范德瓦尔斯力的分子间力吸附在墙壁，从而令足底粘在上面。

　　“壁虎机器人”称为“粘虫”(Stickybot)，由美国斯坦福大学教授马克·库特科斯基的研究小组开发，足底长着人造毛(由人造橡胶制成)。这些微小的聚合体毛垫能确保足底和墙壁接触面积大，进而使范德瓦尔斯粘性达到最大化。

　　美国五角大楼已有兴趣开发爬行手套和爬行鞋，这些都是受壁虎的活动启发。库特科斯基表示，“粘虫”式机器人还可作为行星探测器或救援装置使用。

　　参与研制这种机器人的科学家MarkCutkosky解释了这种神奇吸力手的原理，在每个吸力手上，都有数百万根由人造橡胶制造的毛发，每根细毛的直径大约只有500个纳米左右，比人类的毛发还细很多，每根这种毛发的长度则只有不到2微米，这使得“粘人”的吸力手能非常的接近玻璃壁的表面，这样的结构还能够使得人造橡胶毛发中的分子和玻璃壁分子的距离异常接近。

　　此时，两者的分子们之间会产生一种奇异的自然现象，分子弱电磁引力，也叫“范德瓦尔斯力”。每一对这种力大约可以帮助毛发产生抓起一只蚂蚁的力量。

　　虽然每一对力并不大，但是数百万根毛发产生的这种吸力却能够产生惊人的力量。根据斯坦福大学分子物理学科学家们的研究，2平方毫米大小内的100万根这样的毛发就能够支持提起20公斤重量。所以要让机器人能够附着在直壁上，吸力手只需要增大分子接触面。

　　在每根毛发的末梢，还有上千根更加细小的毛发分枝，每根毛发分枝的前端又有一个分叉。无数的这种“范德瓦尔斯力”集合起来，“粘人”机器人也就自然能在墙壁上行走了。事实上，壁虎也是使用了手掌上数百万级的被称为“刚毛”的毛发完成同样的工作的。

　　这项发明可不仅仅是为了乐趣，MarkCutkosky表示，由于“粘人”机器人的爬墙能力并不像此前，利用真空吸盘靠大气压力吸附在垂直壁上的机器人那样依赖大气压，所以这种新机器人在将来可以用在太空探索、空间卫星维修和特殊环境的救险中。

　　此外“粘人”机器人也引起了美国军方的关注，他们希望能够进一步开发这种产品，让它们能为特种作战的士兵提供爬行手套和爬行服装。[1]

　　中国

　　2011年南京航空航天大学就研发出了能代替人来执行探测，拍摄等任务的仿生壁虎机器人，除了外形长的像壁虎，这个仿壁虎机器人还能代替人类来执行反恐侦查、地震搜救等“高难度”的任务，并且受邀参加了国家“十一五”重大科技成就展。

　　南航第一代的“大壁虎”仿生机器人在2004年就已经问世。通过7年的更新完善，在改善了运动协调、远程控制以及电动机更新等问题的基础上，终于在2011年成功实现了大壁虎90度的自由爬行。而这个科研项目也在2006年得到了国家自然基金的重点项目支持。

　　机器“大壁虎”通体由白色铝合金组成，长150毫米（不连尾巴），宽50毫米左右，而且在不包含电池的状况下的重量只有250克！不光和真壁虎一样有“四肢”，还有一条同样为铝合金材质的长尾巴。“大壁虎”采用的是可充电的锂电池来提供电源，通过芯片来进行控制。可以实现在垂直90度的平面上实现爬行。

　　2原理

　　原来壁虎能牢牢吸附在墙壁上的本质是依据“范德华力”（分子间作用力，其实质是一种电性的吸引力）来实现的。它的脚上有50万根细毛，粗细从几μ到几十纳米不等，只相当于头发直径的千分之一。为了能让仿壁虎机器人也逐渐向这样的“无障碍”爬行目标“看齐”，戴振东和他的团队曾经尝试了不下十种方法来做“毛”，最终成功仿照刚毛吸附原理，通过特殊材质成功让仿壁虎机器人牢牢“吸”在了垂直90度的墙面上。

　　仿壁虎机器人通过模拟壁虎微细结构，模拟大壁虎脚掌基于分子间的“范德华力”，采用仿生结构设计、仿生步态规划、脚掌粘附性能测试等方法，成功实现了仿壁虎机器人90度爬壁运动。

　　3应用

　　仿生壁虎机器人将来的推广范围非常广泛。像反恐侦查，人质被扣押在一个密闭的空间里，外人无法进去的时候，我们的仿壁虎机器人就能派上大用场。“大壁虎”可以背着摄像机“潜”入密闭空间，拍摄下人质所在位置的画面，从而给狙击手提供第一手的及时信息，帮助狙击手准确找准位置。

　　除此以外，仿生壁虎机器人在地震搜救的过程中也能发挥巨大的作用。像一些地震救援队无法找到的领域，仿壁虎机器人凭借着小巧的优势就能轻易找到，并且及时通报给救援队废墟下有没有被压埋的人。

　　4相关案例

　　仿生机器“神行者”

　　SimulationRobotGecko"SpeedyFreelander"

　　仿生机器人壁虎“神行者”

　　中国《科技日报》2008年11月15日报导，珠海新概念航空航天器有限公司科技人员研制成功仿生机器人壁虎“神行者”。　　中国仿生机器壁虎“神行者”是世界上唯一能够真正全面模拟自然界壁虎的人工智能微型壁虎机器人，有可能在不久的将来广泛应用于搜索、救援、反恐，以及科学实验和科学考察。

　　仿生机器壁虎“神行者”是一种新概念微型智能机器人，能在各种建筑物的墙面、地下和墙缝中垂直上下迅速攀爬，或者在天花板下倒挂行走，对光滑的玻璃、粗糙或者粘有粉尘的墙面以及各种金属材料表面都能够适应，能够自动辨识障碍物并规避绕行，机动灵活。

　　在自然界，壁虎依靠神奇的四脚静止时紧紧吸附，移动时轻松脱离。许多对壁虎脚足刚毛的研究认为，壁虎之所以能够攀檐走壁，完全是壁虎脚与攀爬对象之间“范德华力”作用的结果。因此，多年来各国科研人员都致力于用纳米材料来模仿壁虎脚刚毛，并制造了各式各样的“机器壁虎”。然而，这些体积庞大的“机器壁虎”大都只能局限于在光滑的物体表面小心翼翼地缓慢移动，需要外接供电，无法有效可靠地控制机器壁虎“强吸附”与“弱脱附”过程，不能控制机器壁虎的运动姿态和方向，更不能克服万有引力的作用倒立在天花板下迅速运动。

　　珠海新概念航空航天器有限公司的科技人员认为：人类之所以能够走跑跳，绝非仅仅是因为人类有一双脚，壁虎也一样，脚只是生物测量传感综合分析运动系统的执行终端而已。因此，仅仅研究和模仿壁虎的脚及其表面能力是东施效颦，不可能造出有实用意义的机器壁虎。通过长期的探索研究，珠海新概念航空航天器有限公司的科技人员提出并建立了机器壁虎创新科学理论及其实现技术，而仿生机器壁虎“神行者”则是基于该理论及其实现技术的初步成果。