壁虎机器人如何征服垂直墙面？

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斯坦福大学 - “斯坦利壁虎机器人”

这是壁虎机器人领域最著名、最具开创性的项目之一，由马克·库特克（Mark Cutkosky）教授领导。

（图片来源网络，侵删）

核心技术与原理：
- 微观结构模仿： 研究团队没有使用吸盘或粘合剂，而是深入研究了壁虎脚底的微观结构，壁虎的脚底布满了数以亿计的刚毛,每一根刚毛的末端又分裂成数百个更细小的匙突。
- 范德华力： 这种微观结构极大地增加了与接触表面的表面积，当这些匙突与墙壁表面靠近时，会产生一种名为范德华力的分子间作用力，虽然单个力微不足道,但数亿个刚毛产生的合力足以支撑起壁虎自身的重量。
- “粘-脱”可控： 这种吸附方式是“干”的，并且可以快速粘附和脱离，壁虎通过改变脚底与墙壁的角度和压力来控制粘附力的强弱,从而实现灵活移动。
机器人实现：
- 斯坦福大学制造了多个版本的壁虎机器人，如“Stickybot”和“Stickybot II”。
- 它们的脚底使用了人造刚毛，通常由聚二甲基硅氧烷等柔性材料制成,通过微加工技术制造出与壁虎脚底相似的微观结构。
- 机器人通过多关节的四肢和脚掌，配合身体的协调运动，实现了在玻璃、瓷砖等光滑表面上的攀爬。
试验与应用前景：
- 试验成果： 成功演示了在垂直玻璃表面行走、倒挂在天花板上移动,甚至能够跨越小的障碍物。
- 应用方向：
  - 搜救与侦察： 在废墟、灾难现场中，机器人可以攀爬墙壁,进入人类难以到达的区域进行搜救和侦察。
  - 工业检测： 检查飞机机翼、大坝、高层建筑外墙等大型结构的裂缝和损伤。
  - 太空探索： 在无重力的太空中,这种吸附技术可以帮助机器人附着在航天器或空间站外部进行维护作业。

卡内基梅隆大学 - “攀爬机器人”系列

CMU在机器人领域同样实力雄厚,其研究团队也开发出了多种先进的攀爬机器人。

（图片来源网络，侵删）

技术特点：
- CMU的研究同样基于仿生学，但他们在动态控制和运动规划方面做出了巨大贡献。
- 他们的机器人不仅要能“粘住”，还要能“动起来”，机器人需要实时计算脚部的抓取点和释放点，以实现稳定、高效的攀爬。
- 他们开发的机器人能够适应不同粗糙度的表面,甚至可以在一些不那么光滑的砖墙或混凝土表面上攀爬。
代表性项目：
- RiSE (Robotics for Inspection and Surveillance in Environments): 这是一个多关节的攀爬机器人，身体像一条蛇,通过蠕动和吸附相结合的方式在管道和结构上移动。
- CHIMP (CMU Highly Intelligent Mobile Platform): 虽然CHIMP主要是一个人形救灾机器人，但它也集成了手臂和脚部的攀爬能力,可以在特定环境下攀爬障碍物。

麻省理工学院 - “机械壁虎”

MIT的研究则更侧重于材料科学和快速运动。

核心突破：
（图片来源网络，侵删）
- MIT的研究人员开发了一种名为“MicroFiber Adhesive”的人造粘合材料，其性能比早期版本更强大、更耐用。
- 他们特别关注如何让机器人实现快速、动态的攀爬，而不仅仅是缓慢地爬行,这涉及到如何让脚部在附着和释放之间进行高速切换。
试验与应用：
- 他们的机器人演示了在玻璃上快速奔跑和急停的能力,展现了极佳的动态控制性能。
- 这项技术对于需要快速响应的应用场景至关重要,例如在危险环境中进行快速侦察。

美国国防高级研究计划局 - “粘脚爪”项目

DARPA是美国军事技术研究的“总导演”，它通过资助和发起项目,推动整个领域的前沿发展。

“粘脚爪”（Z-Man）项目：
- 这是DARPA资助的一个标志性项目,旨在开发能让士兵像蜘蛛侠一样攀爬垂直墙壁的技术。
- 该项目资助了多个研究团队，包括上述的大学和实验室，目标是开发出一种轻便、可靠、可穿戴的攀爬辅助设备。
- 技术要求： 不仅要能吸附，还要求可重复使用、不留痕迹、能适应多种表面（包括湿滑和粗糙表面）,并且士兵可以轻松地粘上和撕下。