壁虎機器人

　　1各國發(fā)展

　　美國

　　美國科學家日前稱，一種具有粘性腳足的壁虎狀機器人也許會在不久出現(xiàn)在我們身邊。“壁虎機器人”足底有數(shù)百萬個極其微小的毛發(fā)，借助這些毛發(fā)，它就能“飛檐走壁”。每根毛發(fā)通過一種稱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。

　　“壁虎機器人”稱為“粘蟲”(Stickybot)，由美國斯坦福大學教授馬克·庫特科斯基的研究小組開發(fā)，足底長著人造毛(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，進而使范德瓦爾斯粘性達到最大化。

　　美國五角大樓已有興趣開發(fā)爬行手套和爬行鞋，這些都是受壁虎的活動啟發(fā)。庫特科斯基表示，“粘蟲”式機器人還可作為行星探測器或救援裝置使用。

　　參與研制這種機器人的科學家MarkCutkosky解釋了這種神奇吸力手的原理，在每個吸力手上，都有數(shù)百萬根由人造橡膠制造的毛發(fā)，每根細毛的直徑大約只有500個納米左右，比人類的毛發(fā)還細很多，每根這種毛發(fā)的長度則只有不到2微米，這使得“粘人”的吸力手能非常的接近玻璃壁的表面，這樣的結構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，兩者的分子們之間會產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”。每一對這種力大約可以幫助毛發(fā)產生抓起一只螞蟻的力量。

　　雖然每一對力并不大，但是數(shù)百萬根毛發(fā)產生的這種吸力卻能夠產生驚人的力量。根據斯坦福大學分子物理學科學家們的研究，2平方毫米大小內的100萬根這樣的毛發(fā)就能夠支持提起20公斤重量。所以要讓機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，還有上千根更加細小的毛發(fā)分枝，每根毛發(fā)分枝的前端又有一個分叉。無數(shù)的這種“范德瓦爾斯力”集合起來，“粘人”機器人也就自然能在墻壁上行走了。事實上，壁虎也是使用了手掌上數(shù)百萬級的被稱為“剛毛”的毛發(fā)完成同樣的工作的。

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

　　此外“粘人”機器人也引起了美國軍方的關注，他們希望能夠進一步開發(fā)這種產品，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

　　2011年南京航空航天大學就研發(fā)出了能代替人來執(zhí)行探測，拍攝等任務的仿生壁虎機器人，除了外形長的像壁虎，這個仿壁虎機器人還能代替人類來執(zhí)行反恐偵查、地震搜救等“高難度”的任務，并且受邀參加了國家“十一五”重大科技成就展。

　　南航第一代的“大壁虎”仿生機器人在2004年就已經問世。通過7年的更新完善，在改善了運動協(xié)調、遠程控制以及電動機更新等問題的基礎上，終于在2011年成功實現(xiàn)了大壁虎90度的自由爬行。而這個科研項目也在2006年得到了國家自然基金的重點項目支持。

　　機器“大壁虎”通體由白色鋁合金組成，長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的長尾巴。“大壁虎”采用的是可充電的鋰電池來提供電源，通過芯片來進行控制?？梢詫崿F(xiàn)在垂直90度的平面上實現(xiàn)爬行。

　　2原理

　　原來壁虎能牢牢吸附在墻壁上的本質是依據“范德華力”（分子間作用力，其實質是一種電性的吸引力）來實現(xiàn)的。它的腳上有50萬根細毛，粗細從幾μ到幾十納米不等，只相當于頭發(fā)直徑的千分之一。為了能讓仿壁虎機器人也逐漸向這樣的“無障礙”爬行目標“看齊”，戴振東和他的團隊曾經嘗試了不下十種方法來做“毛”，最終成功仿照剛毛吸附原理，通過特殊材質成功讓仿壁虎機器人牢牢“吸”在了垂直90度的墻面上。

　　仿壁虎機器人通過模擬壁虎微細結構，模擬大壁虎腳掌基于分子間的“范德華力”，采用仿生結構設計、仿生步態(tài)規(guī)劃、腳掌粘附性能測試等方法，成功實現(xiàn)了仿壁虎機器人90度爬壁運動。

　　3應用

　　仿生壁虎機器人將來的推廣范圍非常廣泛。像反恐偵查，人質被扣押在一個密閉的空間里，外人無法進去的時候，我們的仿壁虎機器人就能派上大用場。“大壁虎”可以背著攝像機“潛”入密閉空間，拍攝下人質所在位置的畫面，從而給狙擊手提供第一手的及時信息，幫助狙擊手準確找準位置。

　　除此以外，仿生壁虎機器人在地震搜救的過程中也能發(fā)揮巨大的作用。像一些地震救援隊無法找到的領域，仿壁虎機器人憑借著小巧的優(yōu)勢就能輕易找到，并且及時通報給救援隊廢墟下有沒有被壓埋的人。

　　4相關案例

　　仿生機器“神行者”

　　SimulationRobotGecko"SpeedyFreelander"

　　仿生機器人壁虎“神行者”

　　中國《科技日報》2008年11月15日報導，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器人壁虎“神行者”?！　≈袊律鷻C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器人，有可能在不久的將來廣泛應用于搜索、救援、反恐，以及科學實驗和科學考察。

　　仿生機器壁虎“神行者”是一種新概念微型智能機器人，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，能夠自動辨識障礙物并規(guī)避繞行，機動靈活。

　　在自然界，壁虎依靠神奇的四腳靜止時緊緊吸附，移動時輕松脫離。許多對壁虎腳足剛毛的研究認為，壁虎之所以能夠攀檐走壁，完全是壁虎腳與攀爬對象之間“范德華力”作用的結果。因此，多年來各國科研人員都致力于用納米材料來模仿壁虎腳剛毛，并制造了各式各樣的“機器壁虎”。然而，這些體積龐大的“機器壁虎”大都只能局限于在光滑的物體表面小心翼翼地緩慢移動，需要外接供電，無法有效可靠地控制機器壁虎“強吸附”與“弱脫附”過程，不能控制機器壁虎的運動姿態(tài)和方向，更不能克服萬有引力的作用倒立在天花板下迅速運動。

　　珠海新概念航空航天器有限公司的科技人員認為：人類之所以能夠走跑跳，絕非僅僅是因為人類有一雙腳，壁虎也一樣，腳只是生物測量傳感綜合分析運動系統(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，不可能造出有實用意義的機器壁虎。通過長期的探索研究，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器壁虎創(chuàng)新科學理論及其實現(xiàn)技術，而仿生機器壁虎“神行者”則是基于該理論及其實現(xiàn)技術的初步成果。