​中山大学管虫爬行机制研究，为管内爬行机器人设计提供新思路

管内爬行机器人作为一种特种设备，在近几十年内得到了深远的发展。根据构型的不同，可以将管内机器人分为：轮式、履带式、被动式、链条式、蠕动式、多足式等。在现有构型的基础上，按照设计理念的不同可以将管内机器人的构型进一步细分为传统构型和仿生构型两种。

图1 管内爬行机器人的构型

近几年，随着新技术和新材料的发展，仿生构型的管内爬行机器人逐渐增加，而这其中，以蛇、蚯蚓、蜘蛛等为仿生对象制作管内爬行机器人的居多。然而，由于这些被选用的对象本身并不生活在管内，虽然这些生物在某些特定环境下具有极强的运动能力，但是从仿生学角度来看，他们并不是设计管内机器人的最佳仿生蓝本。为此，科学家在自然界中重新寻找到一种天然生活在管内的生物——管虫，在充分研究管虫管内爬行运动机制的基础上，研究人员进一步以管虫为蓝本制作了仿管虫管内爬行机器人。

那什么是管虫呢？如图2所示，管虫是一种栖息在矿物质管内的蠕虫动物，通常情况下它会在管外展开其花冠状的触手滤食微生物，因此广泛分布在海洋中的微生物富集区域。

图2 自然状态下滤食的管虫

管虫一个显著的特征是在它遇到危险的时候，能从管外迅速地回撤到管内保护自己，这个过程的持续时间在76ms左右，速度达到自身8倍体长每秒，非常迅速。

视频 1管虫快速回撤（https://doi.org/10.1242/jeb.245731）

课题组已有研究表明（https://doi.org/10.1242/jeb.245731），管虫的快速回撤过程得益于自身分泌的黏液的润滑，图3 C展示了被镊子夹持的管虫黏液。黏液充斥在管内壁上，使得柔软的虫体在快速回撤过程中不会受到损伤。

图3 管虫出管爬行界面被湿滑黏液覆盖

然而对于管虫的出管运动而言，黏液的存在可能会降低管虫在管内运动的稳定性、使管虫在管内发生滑移。管虫如何克服黏液的润滑作用，在管内连续、稳定地出管是本课题研究的重点。

视频2 在管内稳定爬行运动的管虫

由于矿物质管的不透明性，阻碍了研究人员对管虫的管内运动行为进行观察，因此研究人员将管虫引入到玻璃管内，并拍摄了管虫在玻璃管内运动的过程。

视频3 玻璃管内运动的管虫

从视频上可以看出，在管虫爬出过程中，身体两侧的疣足连续摆动。为了更细致地观察疣足的运动行为，利用体式镜对管虫爬出过程中疣足的运动情况进行观察。

视频4 体式镜下管虫管内爬行运动过程

在虫体上，取定一个疣足做为标记，绘制了疣足末端的运动轨迹线以及疣足的实时摆动角度时序图。如下图所示，可以看出管虫能够在管内连续、稳定地运动，并且可以与管壁之间建立稳定接触。疣足与管壁之间接触后会先绕固定点旋转一定角度，再与壁面分离并前进一段位移。随着疣足的持续摆动，管虫很快就消失在视野中。

图4 疣足可以与湿滑管壁之间建立稳定接触

借助电子显微镜对疣足的形貌结构进行观测，可以发现在疣足的前端还分布有多分枝状的刚毛。制作疣足的组织切片如图5B所示，疣足结构由肌肉和刚毛组成，肌肉牵引着刚毛进行摆动。而这其中，刚毛是与管壁之间发生相互作用的媒介。利用光学显微镜，对管虫刚毛的形貌结构进行观测。研究人员发现，刚毛在尖端部位特化成一个脚垫，脚垫和轴段之间存在约155°的夹角。在共聚焦显微镜下，从刚毛尖端到基部存在材料梯度的变化，在图片上表示为颜色的变化。使用原子力显微镜，对刚毛的杨氏模量进行测试，发现刚毛从尖端到基部上存在刚度梯度的变化，表现为“尖端软，后端硬”。结合共聚焦显微镜测试结果，研究人员认为，刚毛材料梯度的变化进一步导致刚度梯度的变化。

图5 管虫疣足刚毛

刚毛的尖端脚垫在形态上近似为一个圆锥，尖端上特异性分布有微绒毛结构。微绒毛结构从刚毛尖端开始，一直延伸到尖端与刚毛轴段的连接处，并且这种微绒毛结构仅分布在尖端与管壁接触一侧上。微绒毛呈纺锤形，尖端直径约为60 nm，底面直径约为350 nm，高度约为2 微米。每平方微米上分布有约7根微绒毛。

图6 疣足刚毛形貌结构

为了验证尖端微结构对管虫管内爬行的影响，将刚毛尖端特异性剪去，拍摄了不具有刚毛尖端的管虫在管内的运动过程，并对该状态下管虫的管内运动进行量化。

视频5 剪去尖端后管虫在管内滑移

从视频上可知，剪去尖端后，管虫始终停留在一个固定区域内打转，随着疣足的摆动管虫无法向前有效位移。此时管虫无法与管壁之间建立稳定接触，管虫在管壁上滑移。

图7 剪去尖端后管虫无法与壁面之间建立稳定接触

研究人员认为，剪去刚毛尖端后，由于尖端微结构的缺失，会使得刚毛与管壁之间摩擦时的摩擦力大小减小。因此，借助原子力显微镜对具有微结构的刚毛样品和去掉微结构的刚毛样品在管壁上摩擦时的摩擦力大小进行测试。实验结果表明，具有微结构的刚毛摩擦时的摩擦力大小是去掉微结构样品的3倍左右。刚毛尖端上的微绒毛结构可以与管内壁的粗糙度相互配合，形成互锁，抑制了两个表面的相对运动，从而增加了摩擦力。

图8 刚毛微结构的存在可以帮助增加管虫运动过程中的摩擦力

基于对管虫出管行为的研究，研究人员设计了一款仿管虫管内爬行机器人。管虫出管运动的实现是受疣足刚毛的摆动和刚毛尖端的微绒毛结构共同促进的。为了模拟这种疣足的摆动策略，利用空间圆柱凸轮机构，在旋转轴上刻画了不同相位的正弦函数。当旋转轴旋转时，不同正弦刻线上的移动件就会发生异步运动。移动件与固定件之间通过连杆连接，当移动件运动时连杆会被移动件带动实现摆动从而对管虫的疣足摆动进行模拟。制作的管内爬行机器人如图9A所示。同时，利用高精度3D打印技术制作了具有仿管虫微绒毛结构的仿生脚垫，装配在机器人足上。

图9 仿管虫管内爬行机器人

为了验证机器人在黏液环境下的管内运动能力，研究人员搭建了一个机器人爬行观测平台，并在管内壁上涂抹不同黏度的黏液，拍摄下了机器人在不同黏液环境下的运动过程。

视频6 无仿生足垫的管内爬行机器人在黏液粘度为100 cP时出现打滑

视频7 装配仿生足垫的管内爬行机器人在黏液粘度为359 cP时依旧可以稳定运动

由实验结果可知，没有装配仿生足垫的管内机器人在黏液粘度为100 cP时出现打滑，当黏液粘度继续增加时，机器人依旧无法实现有效运动；然而装配了仿生足垫的管内机器人在黏液粘度达到359 cP时依旧可以稳定运动。虽然随着黏液粘度的增加，两个机器人的管内运动速度和位移都出现下降，但是在每一个特定黏度下，装配了仿生足垫的机器人都表现出更优异的运动能力。

图10 管内爬行机器人防滑性能测试

日前，相关论文以《多级分层运动结构帮助管虫在水下湿滑壁面上稳定运动》（Multi-leveled locomotion system of the fan worm facilitates underwater crawling inside a slippery tube）为题发表在Cell旗下期刊Cell Reports Physical Science上。

中山大学硕士研究生陈政和博士研究生魏蒋坤为论文的共同第一作者，中山大学吴嘉宁副教授为论文的第一通讯作者。