爬壁机器人与动物仿生学 ——访南京航空航天大学戴振东教授

目前，仿生壁虎机器人还不能实现倒挂180度的爬行，只能实现垂直的墙壁上进行游走。这离真正的“全方位无障碍”还有相当的距离。

这只白色仿生机器人大壁虎，被拿出来向公众演示的时候，它真的能够像壁虎那样，在墙上爬来爬去。科学家对这个现象进行了揭秘。原来，壁虎能牢牢吸附在墙壁上，本质是依据“范德华力”——它是一种分子间作用力，其实质，是一种电性的吸引力来实现的。壁虎的脚上有50万根细毛，粗细只相当于头发直径的千分之一。

因此，要产生这样的吸附力，必须有合适的“毛”。为了能让仿生壁虎机器人实现“无障碍”爬行，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，成功地让仿生壁虎机器人牢牢“吸”在了垂直墙面上。

（小题）爬壁机器人能完成很多“特殊任务”

为了便于研制仿壁虎机器人，南航的研究团队专门饲养了20多只壁虎来进行观察。这一观察从开始之后，就一直没有停下来过。最初，研究团队在《扬子晚报》上刊登了一个需要广西壁虎的启事，没过多久就有人给科研人员送来了需要的大壁虎。这个学名叫“蛤蚧”的广西壁虎，体重150克，是能在天花板上爬行的最大动物。通过多年的观察研究，戴振东和这个团队，积累了大量的和壁虎有关的信息，并且在相关杂志上发表了几十篇研究壁虎的学术文章。通过观察发现，壁虎爬的快慢是由步频决定的；壁虎“走路”也分很多种步态，有三角步态、对角步态等等，从壁虎的步态中，发现了运动步态参数变化的规律性。

通过长时间的观察，研发小组得出了另外一个重要的研究结论——壁虎在爬行时，不同的脚相对于踝关节的速度矢量是相同的。也就是说，壁虎在迈出每一步时都是一个“相对匀速”的状态。这个让外人看来有些晕乎的结论，却成为了戴振东研发“仿生壁虎机器人”最为重要的发现。戴振东将研究成果运用到了“仿生壁虎机器人”的研制中，成功地解决了这个机械“大壁虎”运动协调的最核心问题。

在选择壁虎之前，研究团队已经试验过七八种动物了，蝗虫、二十八星瓢虫等昆虫都试验过，最终才发现，壁虎和理想的仿生机器人在功能上最具有相似性。这个“功能相似性”就成为了戴振东的仿生实验室，选择壁虎作为仿生对象的最好理由。仿生实验室的纪念品，也是一只壁虎形状的挂件。

到2021年，“大壁虎”爬壁机器人，实际上已经是“大壁虎八代”了，第一代“大壁虎”仿生机器人，在2004年就已经问世。

想象一下这个场景：恐怖分子把人质被扣押在一个密闭的空间里，外人无法进去的时候。派出这种特殊的仿生壁虎机器人，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，从而给人质解救者提供第一手的及时信息。

仿生壁虎机器人在地震搜救中也能发挥作用。在地震救援队无法找到的领域，仿生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。

动物的运动仿生是系统技术，从最终形成产品的角度看，很多环节都非常重要。从机构看，仿生黏附运动需要匍匐运动机构，而不是常见的直立运动机构。如何保证仿壁虎机器人脚和所在运动面形成有效锁合以产生粘附力，机器人如何感知黏附接触的状态，感知自身的重力角，并通过学习掌握对应的运动模式等，这都是仿壁虎机器人能够成功的核心因素。

作为特种机器人研究领域的重要组成部分，仿生机器人的研究与应用，深刻影响着机器人应用的开拓与创新。随着人工智能等技术的进步，仿生机器人的发展也从生物原型的原始模仿，发展到现在结构与生物特性一体化的类生命系统。与人工智能技术的融合，仿生机器人不再仅停留在前沿技术探索，也逐步与产业应用紧密融合。

（小题）仿生机器人前景无限，值得开展更多的研究

南京航空航天大学“仿生研究所”建立以后，研究团队不仅研究了壁虎，还研究了鸽子的运动控制，也研究了壁虎、树蛙、多种昆虫的黏附接触运动力学，十多种昆虫鞘翅的展开和闭合规律，昆虫鞘翅的结构，泡沫金属的制备和性能，几十种树叶的微结构和疏水性关系等。这些研究动物的选择，是从实际工业需求出发的。针对反恐对爬壁机器人的需求，选择大壁虎开展研究和仿生，因为壁虎在各种表面上都能够快速运动，是最合适的选择；针对复杂空间内飞行侦查等需求，结合卫星飞行器续航时间短的问题，对鸽子的运动控制问题进行研究，因为鸽子适合家养，也是典型的飞行动物；针对航空航天对轻质结构的需求，研究鞘翅、骨骼等生物的轻质结构和材料特征；根据工程上对超大表面的需求，对泡沫金属的多功能应用展开研究。

戴振东教授介绍说，仿生学是一个横断和前沿领域，涉及学科众多，要准确地给出“关键词”并不容易。用“跨学科交叉融合”、“启发原创”、“前沿探索”、“工程应用”来联合表述，可能会比较恰当。

在戴振东看来，仿生学与其它学科的交叉和关联体现在多个方面。核心有两点：一方面，通过研究生物的机制和规律，启发工程设计和技术发明；另一方面，其它学科提出的问题和提供的研究手段为生命科学的发展牵引出研究目标、提供新的手段。

戴振东认为，工程上，对动物机器人的需求，引出了研究动物脑运动核团、核团间联系，及其神经信息交互作用机制等问题，值得更用心关注。另一方面，微电极阵列的制造、植入需要机械工程和生物力学的介入，神经信息的采集、传输、处理和分析，需要微电子技术、无线信息传输技术、数学等学科的融合。总结起来，仿生学是桥梁，可以沟通和关联不同的学科，获得双赢的结果；仿生学是播种机，是原始创新的源泉和种子。

以“仿壁虎机器人控制策略研究”为例，此前人们并没有认识到壁虎运动反力模式的重力角度相关性，实验表明，大壁虎的运动反力模式分为三种，和重力角度有很大关联，这为爬壁机器人控制提供了直接的启发。在此过程中，机械工程和测试技术是研制力传感器和运动反力测试系统的支撑，计算机和信息处理为后续分析奠定了基础，而研究得到的结果既丰富了生物学的内涵，也启发了仿壁虎机器人的控制设计。

目前来看，将壁虎的研究转化到工程应用上，最大的问题是需要系统的、工程化的知识和经验。高校和研究所往往极具创新，但缺乏工程化的能力、经验和韧性，企业则缺乏创新的环境和积累。仿生学研究的难点在于从研究生物到理解生物、再到工程实现，周期太长，很多人坚持不了。此外，缺乏跨学科学习和合作的通道，科学研究和工程实践之间也缺乏对话能力。恰恰因为如此，才值得更加深入、持续地开展研究。