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1、壁虎机器人摘要:首先,详细介绍和分析了国内外仿壁虎机器人的研究现状。然后,讨论比较了仿生壁虎机器人所涉及的关键技术的优缺点。最后,在前面分析比较基础上对未来的发展趋势进行了预测。引言：机器人不但可以提高工人的生产效率,还可以代替人类从事乏味、劳累和危险的工作,甚至完成人类不能胜任的工作,因而日益受到人们的重视。随着人类探索太空、建设航天站、开发海洋、军事作战与反恐侦察等任务和需求的增加,人们对机器人的性能提出了更高的要求。而在35亿年的进化过程中,生物体发展了灵巧的运动机构和机敏的运动模式,成为机器人技术创新发展的源泉之一
2、。仿生机器人就是模仿自然界中生物的精巧结构、运动原理和行为方式等的机器人系统。科学家们向生物学习,创造出了众多高性能的仿生机器人,如机器鱼、机器蛇、机器蝇,以及各种仿生材料。壁虎是一种可在地面、陡壁、天花板等不同法向面上自由灵活运动的四足动物。科学家以壁虎的这种运动能力为研究模仿对象,研制出了各种爬壁机器人。爬壁机器人在民用、军事、航天上具有广泛的用途,因而越来越受到人们的重视.在民用领域,爬壁机器人被用来清洗大厦外壁墙面和玻璃、检测舰船船体、检测核密封罐等；在军事反恐领域,爬壁机器人可用来进行侦察窃听、研制蛙人等；在航天
3、领域,爬壁机器人可用来进行舱外维修等。但传统爬壁机器人的吸附原理和移动机理与真实壁虎毫无关系,其缺点限制了应用环境和工作范围,而壁虎的吸附原理和移动方式为突破传统爬壁机器人的限制提供了新的思路,因而成为一个新的研究方向。目前仿壁虎机器人技术的研究主要分为吸附技术的研究与移动技术的研究,吸附技术研究主要是围绕研制仿壁虎脚掌的吸附材料展开,移动技术则主要是模仿生物的灵巧移动方式.目前,美国、日本等西方发达国家都在开展仿壁虎机器人方面的研究,美国处在领先的位置,但仍处于初步阶段我国也已开展这方面的研究,其中在壁面清洗方面实现了爬
4、壁机器人的应用,在壁虎脚掌吸附材料研制上也取得一定成果,但距离国外研究水平仍有一定的差距。壁虎的研究价值：几个世纪以来,人们一直惊讶一些动物如壁虎、蚊子、苍蝇等超强的吸、脱附能力。譬如:壁虎可以在各种基底上自由地爬行,即便是在很光滑的天花板上也可以1mPs的速度迅速地移动；蚊子可以轻松地粘在人体皮肤上实施叮咬；苍蝇甚至可以粘在玻璃上。这些独特的粘附作用源自于自然界长期的进化,研究它们吸、脱附机理对仿制与之类似的生物材料有巨大的启示作用。古希腊哲学家亚里士多德把这种吸附力归结为一种超自然力。Cartier、Braun等分别在
5、1872年和1878年开始研究壁虎脚掌不同寻常的微结构,但囿于当时的科研条件,他们只能大致地推测壁虎可能具有很精细的脚掌结构。Schmidt在1904年用光学显微镜对壁虎脚掌进行观察,Ruibal和Ernst在1965年利用电子显微镜对壁虎脚掌的微结构进行观察,他们均观察到壁虎脚掌是由刚毛和绒毛组成,每根刚毛又由100—1000根绒毛组成,每根绒毛的半径大约在012—014μm之间。对壁虎微结构的观察打开了对壁虎的超强吸、脱附机理研究的大门。Autumn于2000年在Nature发表的一篇关于壁虎微结构及吸附机理的文章掀起
6、了全世界对壁虎研究的热潮。壁虎的仿生原理：1.壁虎的吸附机制壁虎的刚毛和绒毛都是由β角蛋白(β2keratin)组成的,它们的杨氏模量约为1GPa。其吸附力是由范德瓦尔斯力和毛细力共同产生。Autumn等通过实验证实了范德瓦尔斯力的作用,其大小仅仅和绒毛的大小和形状有关而与其表面的化学性质无关。范德瓦尔斯力是永远存在于分子间的吸引力,其作用比化学键能(1—5eV)小1—2个数量级。理论上,一根尖端半径为R的绒毛与平整表面接触(设间隙为D)时的范德瓦尔斯力为F=HRP6D2,若R=1μm,D≈013nm,令Hamaker常数
7、H≈10-19J,计算出单根绒毛产生的吸引力约为200nN。一根刚毛由100—1000根绒毛组成,则它产生的吸附力为20—200μN。实际测得单根刚毛的最大吸附力为(194±25)μN,与理论较为符合,因此有力地证明了范德瓦尔斯力对吸附力的作用。Huber等通过实验证实了毛细力的作用。他们发现即便是单层的水分子膜都会对结果产生很大的影响,而这层水分子膜极易由刚毛吸引空气中的水分子得到。实验表明吸附力随着空气湿度的增加而增大,当空气湿度由0增加到70%,单根绒毛产生的吸附力增加了近一倍。绒毛与不同亲水性的基底接触时,吸附力有
8、较大的改变。绒毛与亲水性基底(接触角为10—18)接触产生的吸附力比与疏水性基底(接触角为107—112)产生的吸附力大一倍,进一步证明了毛细力的作用。壁虎和基底的接触过程本质上是壁虎脚底的绒毛和基底接触面积不断增大的过程。Gravish等模仿了这个过程,指出壁虎的这种分级结构(即壁虎脚掌由刚毛组成,刚
