告别磁铁和吸盘！中国团队造出生物履带，让机器人成水陆两栖壁虎

一种新型自适应刚软混合履带，让机器人在水陆之间轻松穿梭。

在仿生机器人接连取得突破之际，中国团队完成了一项关键的能力融合。他们成功研制出全球首个能稳健实现水空界面无缝穿越的仿生攀爬机器人。

这项来自西安交通大学研究团队的突破性成果，于近期发表在国际权威期刊《Science Advances》上，为解决机器人如何在复杂多变、甚至充满风险的真实环境中稳定工作这一难题，提供了一个精巧的仿生学方案。

▍现实难题：现有爬墙机器人，本领单一怕跨介

在我们的设想中，理想的作业机器人应该是个全能选手。

它既能在地面巡查，也能在墙壁、天花板上攀爬；既能在干燥的室内工作，也能潜入水下执行任务；面对金属、玻璃、瓷砖等不同材质的表面，都应能全盘吸收，牢牢吸附。

这类机器人有望替代人类，在核电站管道检查、灾害现场救援、水下设施监测等高风险或人力难以到达的场景中大显身手。

跨介质攀爬机器人的任务设想图

然而，现实中的大多数攀墙机器人却是个偏科生。现有的吸附机制各有各的短板：

磁吸附：只能认准铁磁性表面。

负压吸附：需要光滑密封的表面，一旦漏水漏气就失效，且能耗很高。

仿壁虎干性粘附：在干燥环境下表现优异，但一到水下就抓瞎。

仿章鱼吸盘：在水下是一把好手，离开水后吸附力便大打折扣。

更关键的是，当机器人需要从水下爬到空中，或从空中进入水下时，能力就全然丧失。就例如从池塘里浮出水面进行观测，动态变化的浮力、阻力以及介质转换带来的复杂力学环境，极易导致机器人失稳、滑动甚至翻滚。

跨介能力不足，严重限制了机器人的应用舞台。

▍自然灵感：壁虎的脚与章鱼的触手

面对这些挑战，研究团队将目光投向了自然界中早已掌握跨介质附着秘密的两位大师：壁虎和章鱼。

壁虎能在光滑的玻璃上飞檐走壁，其秘诀在于脚底密布的、微米级的分叉刚毛。这些刚毛通过范德华力与接触面产生强大的吸附力，这种力对材料不敏感，在干燥环境下非常有效。

章鱼则能在水下牢牢抓住各种猎物，甚至是在垂直的壁面上移动，依靠的是触手上的吸盘。吸盘通过排空腔体形成负压产生吸附，同样不受材料限制，尤其擅长水下环境。

研究团队的巧思在于：何不将二者的优势合二为一？

他们创造性地设计了一种名为空心蘑菇状粘附微结构（HMSAMS）的特殊单元。这种结构顶部有一个像壁虎刚毛一样的蘑菇状帽檐，用于产生范德华力；同时它又是空心的，像章鱼吸盘一样可以形成负压。

仿生MSAMS的微观形态特征和粘附性能

▍核心突破：1+1>2的仿生“胶带”

这种新型微结构，在干燥和水下都展现出了惊人的粘性。

实验数据表明，一块由这种微结构组成的贴片，在干燥环境下能达到约240千帕的法向吸附强度，在水下甚至能提升到 约290千帕。

这相当于每平方厘米可以提起约3公斤的重物。在实际演示中，一小块贴片就能轻松吊起砝码、特氟龙板等各类物品。

HMSAMS贴片强大的粘附性能演示

更巧妙的是，这种粘附力性价比极高。只需施加很小的预压力（比如用手轻轻一按），就能激发出巨大的吸附力，吸附力与预压力的比值最高可达近800倍。

这意味着机器人可以用很小的能耗就实现牢固附着，这对于需要长时间作业或携带有限能源的机器人来说至关重要。

▍更高明的设计：让“胶带”自己会适应

仅有强力的粘附性还不够。如何让机器人像真正的壁虎或章鱼一样，在剥离时不易脱落，在崎岖表面也能紧密贴合？

团队再次从生物结构中获得启发。

壁虎的脚毛和章鱼的吸盘都是离散分布的，这种结构能有效阻止吸附界面裂纹的扩展，防止一处失效导致整个脚掌脱落。

受此启发，研究团队没有将粘附微结构铺满整个履带，而是将其制作成一个个离散的贴片，并像“核壳”一样，在柔软的粘附层下嵌入一小块坚硬的陶瓷片。

这模仿了壁虎脚趾中的骨骼和章鱼触手中的软骨功能，能够优化应力分布，极大地提升了抗剥离能力。实验显示，带有这种硬核的贴片，其剥离阈值（即被撕下来所需的力量）比传统连续软层设计高出138%以上。

为了让机器人能适应不平整的表面，团队又在履带基底中设计了一排排离散的柔软柱状结构。

这模拟了生物肌肉的柔软性和变形能力，使得整个履带在宏观上能像章鱼的触手一样，弯曲、贴合在曲面或凹凸不平的物体上，大大增强了接触适应性和稳定性。

▍终极形态：能上天入水的跨介质机器人

集成了这种创新履带的机器人，展现出了令人印象深刻的跨介质攀爬能力。

机器人本体重约485克，依靠两个主动轮驱动，并由一个负压吸附系统提供轻柔的预压力以激活履带的粘附力。

在干燥的垂直玻璃墙上，它能稳健爬行。

完全浸没在水下时，它同样能在垂直壁面上移动自如。

最精彩的，是穿越水-空气界面。机器人可以以不同的角度，从水下沿着墙壁“走”出水面，也可以从空气中爬入水下，过程平稳流畅，没有出现打滑或翻滚。

机器人平稳穿越水-空气界面

在进一步的演示中，这款机器人证明了其广泛的应用潜力：

√全天候监视：可以在雨天附着在潮湿的墙壁甚至天花板上进行持续监测。

√隐蔽侦察：潜伏在不透明的水下，需要时再浮出水面观察。

√危险环境作业：在模拟的核电站不锈钢水槽壁面上自由出入水。

√狭窄空间穿梭：在宽度仅10厘米的垂直缝隙或低矮管道中穿行，完成空间受限的任务。

跨介质机器人在不同场景下的应用演示

▍未来：可持续且智能的机器人之路

这项研究最值得称道的，不仅是它创造了一个能飞檐走壁且入水不沉的机器人，更是它提供了一种融合多种生物智慧、通过精巧的被动式机械结构设计来解决复杂工程问题的范式。

它无需复杂的电子传感和实时力反馈控制，仅凭材料与结构的本性，就实现了高性能、低能耗、高适应性的吸附与运动。

可以预见，随着仿生学、材料科学与机器人技术的进一步交融，未来将有更多“师法自然”的机器人走出实验室，潜入深海、攀上高塔、穿梭于我们难以企及的角落，成为人类探索与守护世界的得力伙伴。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea8014