自然讓我們產生無窮的遐想，給我們巨大的、深邃的思想啟示。
戴振東·南京航空航天大學教授
格致論道 · 灣區第23期 | 2023年7月22日 廣州
各位觀眾大家好，我是戴振東，來自南京航空航天大學。我的專業是仿生學，就是把生物學和工程技術結合起來的學科。今天我給大家帶來的是《從壁虎到爬壁機器人》。
壁虎在我們的日常生活中隨處可見，在家裡、洞穴裡邊都能看到，是一個很好的仿生對象。但到了真正要做實驗的時候，我們發現很難抓到壁虎。
於是我們就在《揚子晚報》上登報徵集，誰家有壁虎可以貢獻出來，我們做完實驗以後會把它們放生。
我們在南京找到了多疣壁虎，但是發現這種壁虎依然比較小。幸運的是，在我們國家的廣西、雲南有大壁虎分佈和飼養。
這就是大壁虎的生存環境。
為了養好壁虎，我們模仿這樣的環境，建造了天然的實驗系統。
這是我們飼養的壁虎，圖裡的這隻壁虎剛剛從右下角的那個蛋裡孵化出來。它做的第一件事情，就是把自己的爪子洗得乾乾淨淨。
這是它長大以後這樣的樣子。飼養壁虎的過程也不容易，壁虎也會生病。有一次它得了口角炎，但我們沒有對應的獸醫，只好請我的夫人來給壁虎看病，她是皮膚病研究所的醫生。
「毛茸茸」的腳抓得牢
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我們都知道結構決定功能，那麼壁虎腳上的結構到底是什麼樣子？
這就是南京的多疣壁虎的腳，它腳上的剛毛從500倍、5000倍到1萬倍逐步地放大。結構上是一根剛毛在末端分成了好多小的鏟狀絨毛分支，而每一個小末端都小到了我們頭髮絲的千分之一到百分之幾。
這是大壁虎腳上長的剛毛，中間這張實際是放大2000倍的樣子，結構也是非常小。
我們進一步看一下壁虎腳上的毛在腳趾頭上是怎麼長的。這是我們用X射線衍射（X-ray Diffraction，XRD）做的效果，模擬了壁虎腳趾上面叫做皮瓣的細長結構。皮瓣上白白的就是它的毛。壁虎正是靠著這樣一些毛茸茸的東西，使自己能夠吸附在各種各樣的表面上。
這個視訊演示了壁虎爪子的4個指頭是怎麼樣抓上光滑的玻璃的。人的手指做不到外翻，但壁虎的手指會先外翻，然後把5個指頭內收，從而牢牢地抓到天花板上。壁虎想要脫附的時候會外翻手指，想要黏附的時候就內收。
那這個黏附過程是依靠什麼樣的力學機制呢？在這裡，我們必須提到一個叫範德華的諾貝爾獎獲得者。範德華先生在研究液體凝固的過程中發現了範德華力。
範德華力的細節比較複雜，簡單地說就是，分子離得非常近的時候，物體間就會產生一種排斥力。分子之間離得很近的時候產生的是排斥力，而且排斥力隨距離接近增加得非常快；但是離得相對比較遠的時候，反而會產生一個吸引力。
這張圖體現了範德華力和靜電力是怎麼相互作用的。當兩個分子表面的距離非常小，小到我們頭髮絲的萬分之一，也就是大概一個奈米的時候，形成的範德華力要比靜電力要大很多。
有了範德華力作為理論基礎，我們接下來要做的就是做出像壁虎一樣很細很細的毛。
製造仿壁虎黏附材料
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我們有2個技術路徑，其中一個就是用碳奈米管制作，可以用垂直徑向生長的碳奈米管來實現這樣的功能。但是不幸的是，目前這項技術還難以實現產業化應用。
▲左：德國公司的仿生黏附材料
中、右：在南京市溧水區支持下研製的黏附材料
左邊這個圖，就是由我在德國時的合作導師擔任技術指導的公司做出的仿壁虎黏附材料，中圖和右圖是我們團隊在南京市溧水區的支持下研製的仿生黏附材料。大家看到的這個已經放大了很多倍。
我給大家簡單地講一下製作方法。我們使用的模具是金屬的，需要在1平方釐米以內打6萬個到20萬個孔，然後把高分子材料注進去，而且還要給每一個孔裡邊修出一個喇叭口來。
有了這樣的結構，就可以來看它如何應用。
仿壁虎黏附材料可以應用於航天員訓練。在軌失重條件下，航天員們存在骨流失等問題，需要進行一定的鍛鍊。
另外，航天員們在太空中時還做著各種各樣的工作，也都需要鍛鍊。伸肌的鍛鍊比較好做，屈肌的鍛鍊以前一直沒有辦法做。
我們在地球上抬腿的時候，因為有重力，所以抬腿時需要用力，這樣就能使肌肉得到鍛鍊。但是在微重力環境下，抬腿不需要使太大的力氣，就沒有辦法鍛鍊。
▲全球首個實現失重環境下
屈肌鍛鍊的裝置：仿生黏附鞋
於是我們研製了仿生黏附鞋。航天員穿上這個鞋子，抬腿的時候就會對肌肉產生刺激，能夠得到很好的鍛鍊效果，這樣就可以做屈肌訓練了。
▲合作研發用於失重條件下的黏附材料
那麼仿壁虎黏附材料在微重力環境下還有沒有其他應用呢？這是我們和北京紫微公司合作，用失重飛機做的模擬。我們在10秒鐘完全無重力的情況下，做了一個黏附實驗。實驗證明在完全失重情況下，仿壁虎黏附材料可以產生非常好的黏附力。
▲合作研發用於空間碎片捕獲的黏附材料
這是另一個實驗。我們用氣浮臺把兩個200多公斤的東西浮起來，以此模擬微重力的環境，通常情況下這兩個東西碰撞接觸後會分開，但是用了仿生黏附材料的物體後，它們在相撞之後結合成了一體，還可以被拉著跑。
這樣的黏附材料就可以用於太空。如果軌道上有一個空間碎片，就可以用黏附材料把它抓住，讓碎片脫離軌道。甚至可以把這個碎片「廢物利用」，作為空間製造的材料。
適應各種環境的仿壁虎機器人
那是不是有了仿壁虎材料，壁虎機器人就可以被很輕易地製造出來了？實際上，仿壁虎機器人比我們想象的要複雜不少。
仿壁虎機器人涉及到好幾個方面的問題。機器人的各個機構就像我們人的關節，我們要考慮它是一個什麼樣的結構。最重要的是，我們要考慮如何製造仿壁虎機器人的腳。
然後就是考慮機器人要怎麼運動。因為它是一個四足的腿式機器人，運動時有多重步態，包括三角步態和對角步態等等。三角步態就是三個腳落在地上，一個腳走；對腳步態就是兩個腳在支撐狀態，另外兩個在走。我們需要調和它在複雜環境下的步態。
除此之外，還涉及到驅動和控制，包括過驅動的問題。這四個部分的研究總體上是一個螺旋式上升的問題。
為了解決這個問題，我們要學習和研究壁虎到底是怎麼運動的。這三個圖分別是壁虎在天花板、牆及地面上跑步時的行為學。
這是我們為了研究壁虎怎麼運動研製的全球首臺多維力傳感器。我們後來已經把這個多維力傳感器做成了一個產品，實現了產業化。
視訊中從左向右分別是壁虎在天花板，牆及地面上運動反力的規律，也就是壁虎在天花板、牆和地面上的力學控制模式。知道了壁虎在各種情況下怎麼受力，我們在做機器人的時候就可以用同樣的規律來控制。
經過20多年的研究，我們團隊做出了一系列的壁虎機器人，2004年的這個機器人長得又醜，跑得又慢，到30°的傾面上就會滑下來。而2023年做的這個壁虎機器人無論在粗糙或光滑的表面都可以運動，可以在牆上運動，甚至還可以在天花板上運動。
這是我們的幾款仿壁虎機器人。最左邊的機器人正在一個垂直的玻璃表面爬行，而且這個時候機器人只有一個爪黏附著。中間的機器人有4個爪，黏附在一個模擬空間站的表面。最右邊這個機器人在凹形的表面黏附著。如果是在一個凸形表面運動，它可以通過使勁增加一點法向力，讓自己運行起來更加的方便。但是如果是凹形表面的運動會更加困難。經過幾年的研究，我們也讓機器人實現了在凹形表面黏附的功能。
▲左：仿壁虎機器人牆面運動
中：實現光滑面快速黏附攀爬
右：實現不同粗糙面上運動
這分別是仿壁虎機器人在垂直的牆面、光滑面和不同粗糙面上的快速運動。最右邊這個圖中的不同的顏色表明這兩個表面的粗糙度是不一樣的。
為了讓仿壁虎機器人能在全空間運動，像壁虎一樣能夠在各種表面之間過渡，我們做了大量的模擬和分析。
▲左：牆角過渡仿真
右：天花板上黏附爬行
左邊是壁虎怎麼樣從地面上爬到牆上的仿真圖。我們先觀察了壁虎是怎麼做的，然後仿照壁虎，規劃機器人應該怎麼做。右邊是仿壁虎機器人在模擬天花板上的攀爬。
▲仿生柔性爪機械臂
我們想看這個技術能不能解決我們工業和日常生活中面臨的問題，比如柔性搬運上面。這個仿生柔性機械臂可以搬像聖女果一樣很小的東西，還可以搬運雞蛋這樣比較脆弱的東西。生雞蛋很容易碎，但是在抓取時不需要力控，抓到就能走。因為仿生柔性爪本身的法向力很小，接觸很溫柔，就可以輕易地把它抓走。同時，各種各樣的水果，重的、輕的，包括軟的東西，都可以被抓起來。
這是我們最近研製的仿壁虎機器人，它的爪子可以做到主動黏附和主動脫附，這樣會使它的工作更加可靠。
這個也是我們做的一個仿壁虎機器人，它正在一個模擬空間站表面的裝置上面橫著爬，未來可以用於空間站檢測。
仿生術的更多應用
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那麼，未來仿壁虎機器人還可以做些什麼？
▲仿生黏附捕獲裝置變廢為寶
這是一張空間碎片繞地球的分佈圖。現在我們有數億個一釐米以上的碎片在繞著我們的地球運行，已經有若干個衛星被碎片撞擊，我們的中國空間站也曾受到過碎片的干擾。那麼能不能把碎片變成一個資源，用我們發明的這樣一個技術把它抓起來變廢為寶呢？
除了解決太空碎片問題以外，空間站在遠端的一些設備和部件，很難被機械臂夠到，航天員也很難去對它進行檢測，或者對一些運動部件加註油。我們研發的這些技術可能也會對空間站設備檢測和部件維護起到一些積極作用。
人類從大自然得到的啟發不僅僅來源於壁虎，日常生活裡實際上還有很多例子。比如在荷花盛開的時候，我們總看到清清爽爽的荷葉。基於荷葉效應，人們研發了自清潔塗料，塗上自清潔塗料以後，一陣雨過，馬上就會幹乾淨淨。
同時我們注意到了鳥的飛行，於是發明了飛機。現在我們研發的飛機可以飛得比任何一隻鳥都更遠、更快、更高。目前我們的飛機還沒有做到像鳥兒一樣安全，這個是未來會實現的一個夢。
最右邊很漂亮的這張圖，實際上是個蜻蜓的腦袋。蜻蜓的神經系統相對簡單，但是它可以比我們人的雙目快10倍發現目標，在飛行的過程中抓住蒼蠅把它吃掉。我們從蜻蜓的複眼中得到啟發，發明了ATR視覺感應器和複眼相機。
自然讓我們產生無窮的遐想，給我們巨大的、深邃的思想啟示。希望各位年輕的朋友和老朋友們能夠在自然的啟發下創造出更多的奇蹟。
謝謝大家！