仿生壁虎腳

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更新時間: 2013-09-04

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美國科學家表示能夠像蜘蛛俠一樣在建築物上攀爬將在不久后成為現實。目前,科學家正使用一種特殊材料製造粘性手套和鞋子,能夠讓穿戴者粘在牆壁上並任意攀爬。現已在一個小型機器人身上成功測試。

仿生壁虎腳 -簡介
仿生壁虎腳壁虎腳機器人能飛檐走壁

斯坦福研究設計中心副主任、機械工程教授馬克·卡特科斯基領導的研究小組和美國其他大學合作,經過研究壁虎腳趾的構造,歷時5年製造出一種黏腳機器人——Stickybot,其能在光滑的玻璃牆壁上行走自如。

仿生壁虎腳 -原理

他們從壁虎身上獲得靈感,開發出一種新型織物,現已在一個小型機器人身上成功測試。測試中,機器人順利在玻璃、金屬等光滑表面攀爬。工程師希望將他們的設計「按比例放大」,為人類打造蜘蛛俠般的攀爬裝備。據悉,這項研究是一項代號「Z-Man」的計劃組成部分。壁虎之所以具備藐視地心引力的能力歸功於腳趾上的微毛。微毛能夠增大接觸面,形成一種「單向粘合劑」。壁虎每爬行一部都可產生這種粘力,但只要朝其他方向移動,粘力便消失。

過去10年時間裡,技術人員一直潛心研究,開發強度足以實現垂直攀爬的人造粘性材料。經過不懈努力,美國加利福尼亞州斯坦福大學的研究人員最終開發出一種類似橡膠的材料,上面覆蓋數千根微小的聚合纖維用以模擬壁虎的微毛。壁虎的微毛被稱之為「剛毛」,直徑只有人發的十分之一。

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壁虎腳趾包含很多學問,堪稱一種乾性黏合劑。壁虎腳趾上有數百個拍狀突起,稱為皮瓣,每個皮瓣上都生有數百萬剛毛,比人的頭髮要細10倍。在顯微鏡下面,能看到每一個剛毛末端又分成數百個直徑只有幾百納米的更細的鏟狀絲,稱為鏟狀匙突(spatulae),能和攀爬物表面的分子發生引力作用。

壁虎腳趾上細絲和牆壁分子引力之間的這種相互作用稱為范德華力,這種引力能使它在玻璃上僅用一個腳趾就支撐起全部身體重量。卡特科斯基說,這種「黏合劑」還是單向的,只有向一個方向拉時,才能黏緊,而從另一個方向,則很容易取下來。 研究小組用微型模具制出一種類似橡膠的多聚材料微絲,做成黏合劑塗層,塗在為Stickybot專門製作的四隻腳上。Stickybot的每隻腳約有一個孩子的手掌大小,它在牆壁上爬時就會很穩定,還能輕鬆地黏附或提起它的腳,就像一隻機器蜥蜴。

最新型黏合劑仿照壁虎腳趾上的皮瓣和剛毛包含兩層系統,比首批產品的黏合微絲更細,且只有20微米寬,是人頭髮的1/5,負荷量也大大提高。Stickybot因此能在豎直的木板、塗漆金屬和玻璃上行走自如。

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仿生壁虎腳 -作用

這種材料據說擁有較高強度並且可以重複使用,同時不會留下任何殘留或造成損傷。目前,這種材料已在機器壁虎「Stickybot」身上成功測試。測試中,機器人順利在玻璃板上攀爬。現在,科學家正在研製這種材料的「人用版」,允許人類擁有與壁虎一樣的攀爬能力,即藉助這種材料支撐整個身體。首席設計師馬克·庫特科斯基教授表示:「使用吸盤的移動速度緩慢,效率不高,除此以外的一種選擇便是採用乾燥粘合,也就是壁虎採用的技術。」

壁虎的驚人攀爬能力源於腳趾上的微毛。接觸物體表面時,微毛可充當粘性極高的「單向粘合劑」,如果朝另一個方向移動,粘性便會消失。仿生機器人技術專家庫特科斯基說:「這種新材料與透明膠帶或者管道膠帶截然不同。如果使用膠帶,你要用力壓,而後再使其脫離表面。使用其他粘合劑則像腳上粘了口香糖,你要用力壓在表面,走路的時候再用力把腳抬起來。定向粘合則不同,感覺是將自己鉤在表面,脫鉤后便可移動身體。」

Stickybot外形猶如一隻壁虎,也「長」著四隻腳,每隻腳的尺寸與小孩子的手相當。測試中,Stickybot穩穩地將自己粘在牆面上,可隨意向上攀爬,就像真實的壁虎一樣。斯坦福大學表示,開發強度足以承受人類體重的粘性材料的努力正在進行當中。Stickybot「長」有粘性腳趾和敏捷的尾巴,在牆壁上的攀爬幾乎與壁虎一模一樣。美國國防部的高級研究計劃為這款機器人的研製提供了資金支持。

卡特科斯基指出,因為黏合劑是單向作用的,Stickybot還需要旋轉腳,我們準備給它安裝一個像壁虎那樣的旋轉關節。當向下爬或者在牆壁上頭衝下,Stickybot的後腳,必然是扭向後的,否則它會掉下來。 研究小組下一個項目稱為Z-Man,將把這項技術拓展到特種工作上,讓人類也能利用這種仿生黏合劑飛檐走壁。

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