像壁虎一样爬行，机器人需要脚趾

加利福尼亚大学伯克利分校的生物学家利用一种有斑点的壁虎的腹部来了解这种动物的五个粘性脚趾是如何帮助它在多种表面上爬行的。(照片由宋怡提供)

机器人和脚趾吗?实验表明，爬行机器人的脚趾可以像壁虎那样灵活、多毛，可以快速调整，以适应不断变化的重量和光滑的表面，这对它们大有裨益。

来自加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)和南京航空航天大学(Nanjing University of Aeronautics and宇航)的生物学家观察到壁虎沿着墙壁水平移动，以了解它们如何利用自己的五个脚趾来弥补不同类型的表面，同时又不放慢速度。“这项研究有助于回答一个基本问题:为什么有这么多脚趾?”加州大学伯克利分校综合生物学教授罗伯特·富尔说。

正如他之前的研究显示的那样，壁虎的脚趾可以通过分子间作用力粘在最光滑的表面上，并在几毫秒内展开和剥离。他们的脚趾每英尺有15000根头发，每根头发都有“糟糕的分叉，多达1000个纳米大小的尖端允许近距离接触，”他说。

高速摄像机使研究人员能够从不同角度拍摄壁虎沿与地面平行的墙壁移动的过程，以适应粗糙的表面和导致壁虎滑动的粘块。这项研究可以帮助工程师设计出能够像壁虎一样爬墙和爬过天花板的机器人。(视频片段:宋怡，Roxanne Makasdjian编辑)

这些发现催生了对新型粘合剂的研究，这种粘合剂利用分子间作用力，或范德华力，几乎可以粘在任何地方，甚至水下。

他说，其中一个难题是，壁虎的脚趾只朝一个方向粘住。当它们被拉向一个方向时就会抓住，但当它们被拉向相反的方向时就会松开。然而，壁虎在任何方向都能灵活移动。

为了确定壁虎在不同的表面移动时如何学习应对移动的力量，来自中国南京的加州大学伯克利分校访问学生宋毅(音译)，让壁虎沿着一堵垂直的墙壁侧身移动，同时录制高速视频来显示它们脚趾的方向。侧向移动使他能够区分向下的重力和向前的跑步力，以最好地测试脚趾补偿的想法。

利用一种叫做“沮丧全反射”的技术，宋还测量了每个脚趾的接触面积。这项技术使脚趾在接触表面时发光。

利用一种被称为“沮丧的全内反射”的现象，研究人员能够分辨出脚趾垫的哪些部分(亮点)与表面接触，并支撑起壁虎6037s的重量。(宋怡摄)

令研究人员惊讶的是，壁虎在向上攀爬的同时，也以同样的速度侧身奔跑，它们的脚趾很容易也很迅速地重新调整，以对抗重力。在侧壁跑时，前足和后足上足的脚趾向上移动，就像攀岩时的前足脚趾一样。

为了进一步探索可调节脚趾的价值，研究人员增加了光滑的补丁和条状，以及不规则的表面。为了对付这些危险，壁虎利用了它的多根柔软的脚趾。冗余允许仍然与表面接触的脚趾重新定位和分配负荷，而柔软性让它们符合粗糙的表面。

Full说:“脚趾通过将控制分散到多个、顺从的、冗余的结构中，从而降低了在具有挑战性的地形上移动的风险，从而实现了敏捷移动。”“分布式控制展示了如何更有效地部署生物粘附，并为新的机器人脚、新颖的夹具和独特的机械手提供了设计思路。”

该研究小组成员还包括来自南京航空航天大学机电工程学院的戴振东(音)和王舟一(音)。他们本周在《英国皇家学会学报B辑》上发表了他们的研究成果。

近距离观察壁虎的脚趾垫。每只脚大约有15000根头发，每根头发都有分叉，最大限度地与表面接触，并通过范德华力与表面分子相互作用来支撑动物的重量。(宋怡摄)

该工作由陆军研究办公室赠款和国家自然科学基金以及中国国家留学基金委奖学金资助。

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