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  相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)器人，軟體機(jī)器人由于具有極大的自由度和變形能力，在生產(chǎn)生活、醫(yī)療救援、航空航天和軍事等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。若軟體機(jī)器人尺寸降至厘米及以下，可以在狹小空間內(nèi)（如廢墟狹縫、生物體內(nèi)）完成各種復(fù)雜作業(yè)。小尺寸軟體機(jī)器人一般可以簡(jiǎn)單分為兩部分：致動(dòng)部分（身體），用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；與基底接觸的部分（足部），決定了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力。目前，人們對(duì)軟體機(jī)器人致動(dòng)器進(jìn)行了廣泛而深入的研究，而對(duì)機(jī)器人的足部設(shè)計(jì)卻很少，很多小型軟體機(jī)器人甚至缺乏足部設(shè)計(jì)，只是致動(dòng)器的外沿與基底接觸。缺乏良好的足部設(shè)計(jì)，機(jī)器人往往需要粗糙或具有特殊結(jié)構(gòu)的基底表面來(lái)提供前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的反作用力，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的精確控制也會(huì)受到限制。

  眾所周知，壁虎可以在幾乎所有的表面上運(yùn)動(dòng)，包括垂直的墻壁甚至是天花板等，其腳上的多級(jí)剛毛結(jié)構(gòu)扮演了關(guān)鍵角色：微納米剛毛結(jié)構(gòu)允許壁虎腳與各種表面間形成足夠大黏附力；而剛毛末端的抹刀形結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生具有方向性的摩擦力，方便壁虎腳進(jìn)行快速地黏附/脫附切換，從而快速移動(dòng)。另一方面，尺蠖的運(yùn)動(dòng)行為使得它可以保持前足或后足固定在接觸表面，保證它可以在小樹(shù)枝等表面自由行動(dòng)。受到壁虎剛毛結(jié)構(gòu)和尺蠖運(yùn)動(dòng)步態(tài)的啟發(fā)，武漢大學(xué)薛龍建教授課題組（NISE-Lab）設(shè)計(jì)制備出一種新型有足軟體機(jī)器人Geca-Robot（圖1）。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由“足”和“身體”兩個(gè)部分組成。機(jī)器人足部為仿壁虎剛毛結(jié)構(gòu)的三角形柱狀陣列，可響應(yīng)身體變化提供驅(qū)動(dòng)力，并可提供各向異性的可逆摩擦力來(lái)控制運(yùn)動(dòng)。其身體（肌肉）部分由透明帶狀的PDMS和帶狀的石墨烯/PDMS復(fù)合材料（GP）交替排列組成。利用GP中石墨烯的光熱效應(yīng)，引起身體熱膨脹/收縮為Geca-Robot提供驅(qū)動(dòng)。從紫外到紅外的全波段光都可以驅(qū)動(dòng)Geca-Robot進(jìn)行定向運(yùn)動(dòng)。

圖1. （a）受壁虎和尺蠖啟發(fā)的Geca-Robot及其（b）肌肉部分石墨烯/PDMS復(fù)合材料（GP）暗場(chǎng)光學(xué)照片和（c）足部三角形柱狀陣列三維圖。

  Geca-Robot的運(yùn)動(dòng)機(jī)理為：前后足表面的三角形柱狀陣列具有相同的取向，三角形陣列的角指向機(jī)器人的前進(jìn)方向。當(dāng)足部的三角形柱狀陣列在受到不同剪切方向作用力時(shí)，沿三角形邊方向的摩擦力（f_E）總是大于沿角方向（f_A）的摩擦力，且始終方向相反。當(dāng)Geca-Robot處于待命模式時(shí)，前后足均與基底保持接觸（圖2a）。光照時(shí)，Geca-Robot肌肉部分發(fā)生膨脹，前后足均受到膨脹作用力F⁺；但前足受到的F⁺作用力向前，后足受到的F⁺作用力向后（圖2b）。當(dāng)F⁺隨著光照時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸增大至足以克服前足摩擦力f_A時(shí)，前足開(kāi)始向前滑動(dòng)。此時(shí)，F⁺不再繼續(xù)增加，始終與f_A持平。另一方面，由于F⁺始終不足以克服后足向后運(yùn)動(dòng)所需摩擦力f_E，后足上的柱狀陣列僅在原地發(fā)生輕微彎曲變形，但保持錨定狀態(tài)。當(dāng)光照停止時(shí)，Geca-Robot肌肉收縮，收縮作用力F^-與F⁺方向相反，從而導(dǎo)致前后足所受摩擦力反向，此時(shí)前足滑動(dòng)需克服摩擦力f_E而后足需克服f_A。所以，當(dāng)F^-增加至f_A時(shí)，后足優(yōu)先開(kāi)始向前移動(dòng)，收縮作用力不再增加，前足保持錨定狀態(tài)（圖2c）。通過(guò)光照的開(kāi)/關(guān)循環(huán)，驅(qū)動(dòng)Geca-Robot以尺蠖運(yùn)動(dòng)步態(tài)向前運(yùn)動(dòng)。Geca-Robot運(yùn)動(dòng)過(guò)程穩(wěn)定性高，并可以通過(guò)調(diào)控輻照波長(zhǎng)、強(qiáng)度和關(guān)照開(kāi)關(guān)周期來(lái)進(jìn)行精確控制。

圖2. Geca-Robot不同狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)步態(tài)：（a）stand-by、（b）light-on和（c）light-off階段前足（左側(cè)）和后足（右側(cè)）狀態(tài)。當(dāng)足與基底保持接觸時(shí)三角形柱子顯示深灰色，發(fā)生滑動(dòng)時(shí)顯示為淺灰色，錨定狀態(tài)表現(xiàn)為三角形柱子發(fā)生彎曲變形。

  由于結(jié)合了仿壁虎剛毛的足部結(jié)構(gòu)，Geca-Robot表現(xiàn)出優(yōu)秀的全地形運(yùn)動(dòng)能力（圖3）：在光滑/粗糙表面、干燥/濕潤(rùn)表面均可以進(jìn)行穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)；在傾角高達(dá)30°的光滑表面上，仍可以穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)而不會(huì)發(fā)生滑移；可以在100 °C至-17 °C范圍內(nèi)的表面上運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)出對(duì)具有大溫度范圍或極端溫度變化環(huán)境的良好適應(yīng)性。此外，Geca-Robot還具有優(yōu)秀的負(fù)載能力，可以負(fù)載超過(guò)其自重50倍的重物穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。

圖3. Geca-Robot（a）在具有不同粗糙度的干燥表面的運(yùn)動(dòng)位移。插圖為不同粗糙度表面的3D形貌圖。紅點(diǎn)代表Geca-Robot在光滑玻璃表面的運(yùn)動(dòng)位移；（b）在Ra粗糙度為4.1μm的有水表面不同時(shí)間點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程圖；（c）在上下坡過(guò)程不同坡度條件下的運(yùn)動(dòng)位移，插圖為上坡過(guò)程中的Geca-Robot；（d）在100 °C、 -17 °C和室溫條件下不同運(yùn)動(dòng)周期的位移；（e）在不同負(fù)載時(shí)的運(yùn)動(dòng)位移，插圖為Geca-Robot負(fù)載50倍自身重量的重物；（f）負(fù)載3.8 g重物在被水滴覆蓋的粗糙金屬基底表面的上坡過(guò)程截圖。

  Geca-Robot的足部設(shè)計(jì)是其擁有全地形運(yùn)動(dòng)能力的關(guān)鍵，為今后小尺寸軟體機(jī)器人的研發(fā)提供了新思路。這種足部和驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)使得其可在平面內(nèi)發(fā)生形變，賦予Geca-Robot在狹窄封閉環(huán)境作業(yè)的能力；而其可以被紅外驅(qū)動(dòng)的特性，使得其在醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域擁有巨大應(yīng)用潛力。

  該成果發(fā)表在材料領(lǐng)域頂尖期刊Materials Today（IF為24.372）上，并被選為內(nèi)封面文章。論文的第一作者為武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院博士生汪鑫，通訊作者為劉勝教授和薛龍建教授。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

  NISE-Lab長(zhǎng)期致力于仿生黏附材料的相關(guān)研究，相關(guān)成果還有Small, 2019, 1904248、ACS Appl. Mater. Interfaces，2019, 11, 46337、ACS Nano, 2017, 11, 9711、Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 1499、Nat. Commun. 2015, 6, 6621、Nano Lett., 2013, 13, 5541等國(guó)際頂尖期刊以及書(shū)籍《Bio-Inspired Structured Adhesives》（Springer, 2017）。

  相關(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2019.12.028

  NISE-Lab 課題組網(wǎng)站：http://niselab.whu.edu.cn/