壁虎与机器人

爬墙机器人被广泛应用于搜索、救援、侦察,以及科学实验和科学考察,它们是怎样在墙壁上如履平地的呢?主要方法有:

  • 吸盘:使用真空吸附原理
  • 使用胶水(真的有这样的机器人,看下面的视频)
  • 壁虎胶带

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。对壁虎脚足刚毛吸力的精确测定表明,壁虎脚与物体表面的吸力完全是“范德华力”相互作用的结果。壁虎脚趾上约有650万个次微米级毛发,以几何阵列方式排列,每单一毛发直径约200至500奈米,约是人类毛发的直径的10分之1,长度是人类毛发直径的2倍,毛发前端有100~1000个类树状的微细分枝,每分枝前端有肉趾,能产生约10-7牛顿力,若整合整体毛发能产生每平方公分约10牛顿的力,即若当壁虎的四肢都与表面物质接触可载重约260磅重的人,悬挂负重能力约是其本身体重的400倍强。科学家仿照壁虎脚上毛发的几何排列构造,以电子光束微影与氧电浆蚀刻法(dry etching in oxygen plasma)在5微米厚的聚醯亚氨薄膜(polyimide film)上制成约2微米长、500奈米直径以1.6微米周期排列的高弹性聚醯亚氨纤维,实验结果这种高强度纤维每0.5平方公分约可负重大于100公克的物体,并可数次重覆使用,被名为“壁虎胶带”。

毫无疑问,使用“壁虎胶带”的机器人在爬墙的时候有巨大的优势:运动灵活、耗能少;不过“壁虎胶带”仍在试用阶段,需要解决的问题主要有:

  • 如何适应不同的表面:机器人在运动时需要恰当的吸附力,不能太大也不能太小;
  • 如何保持清洁:在把自己吸附在天花板上的时候,机器人也吸附了一身灰尘,这可是不行的。

下面就看看爬墙机器人们的精彩表演,首先出场的是斯坦福大学的StickyBot,该机器人重300克,在玻璃上行走速度达到4cm/s。

“壁虎胶带”还可以直接作为机器人的履带,CMU的WaalBot就是这么干的:

美国DARPA的RiSE机器人可以爬树:

以色列大学的机器人也好不弱,不仅有采用“壁虎胶带”的,还有使用“胶水”的,请注意下面视频的第40秒:

当然类人机器人也不干落后,也能攀岩,下面视频中的Bioloid机器人通过外置的摄像头来选择攀岩的路径:

我国的壁虎机器人(珠海新概念航空航天器有限公司)也很牛,爬墙如履平地,其灵活性和运动速度可媲美自然界的壁虎。

参考文献

  1. 人造纳米壁虎胶带非常“壁虎”
  2. Waal Climbing Bots
  3. wikipedia: Gecko tape
  4. Wall Climbing Robots Try Out New Techniques
  5. Bioloid Climbs Walls The Old Fashioned Way
  6. 我国仿生机器人壁虎爬墙如履平地

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