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  相對于傳統(tǒng)的機器人，軟體機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)。小尺寸軟體機器人一般可以簡單分為兩部分：致動部分（身體），用于驅(qū)動機器人運動；與基底接觸的部分（足部），決定了機器人的運動能力。目前，人們對軟體機器人致動器進行了廣泛而深入的研究，而對機器人的足部設(shè)計卻很少，很多小型軟體機器人甚至缺乏足部設(shè)計，只是致動器的外沿與基底接觸。缺乏良好的足部設(shè)計，機器人往往需要粗糙或具有特殊結(jié)構(gòu)的基底表面來提供前進運動的反作用力，機器人運動的精確控制也會受到限制。

  眾所周知，壁虎可以在幾乎所有的表面上運動，包括垂直的墻壁甚至是天花板等，其腳上的多級剛毛結(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，方便壁虎腳進行快速地黏附/脫附切換，從而快速移動。另一方面，尺蠖的運動行為使得它可以保持前足或后足固定在接觸表面，保證它可以在小樹枝等表面自由行動。受到壁虎剛毛結(jié)構(gòu)和尺蠖運動步態(tài)的啟發(fā)，武漢大學(xué)薛龍建教授課題組（NISE-Lab）設(shè)計制備出一種新型有足軟體機器人Geca-Robot（圖1）。這種機器人結(jié)構(gòu)簡單，由“足”和“身體”兩個部分組成。機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)動力，并可提供各向異性的可逆摩擦力來控制運動。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。從紫外到紅外的全波段光都可以驅(qū)動Geca-Robot進行定向運動。

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）暗場光學(xué)照片和（c）足部三角形柱狀陣列三維圖。

  Geca-Robot的運動機理為：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器人的前進方向。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，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，前后足均與基底保持接觸（圖2a）。光照時，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⁺隨著光照時間的增長逐漸增大至足以克服前足摩擦力f_A時，前足開始向前滑動。此時，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動所需摩擦力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，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，此時前足滑動需克服摩擦力f_E而后足需克服f_A。所以，當(dāng)F^-增加至f_A時，后足優(yōu)先開始向前移動，收縮作用力不再增加，前足保持錨定狀態(tài)（圖2c）。通過光照的開/關(guān)循環(huán)，驅(qū)動Geca-Robot以尺蠖運動步態(tài)向前運動。Geca-Robot運動過程穩(wěn)定性高，并可以通過調(diào)控輻照波長、強度和關(guān)照開關(guān)周期來進行精確控制。

圖2. Geca-Robot不同狀態(tài)的運動步態(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三角形柱子顯示深灰色，發(fā)生滑動時顯示為淺灰色，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)秀的全地形運動能力（圖3）：在光滑/粗糙表面、干燥/濕潤表面均可以進行穩(wěn)定運動；在傾角高達30°的光滑表面上，仍可以穩(wěn)定運動而不會發(fā)生滑移；可以在100 °C至-17 °C范圍內(nèi)的表面上運動，表現(xiàn)出對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)秀的負載能力，可以負載超過其自重50倍的重物穩(wěn)定運動。

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

  Geca-Robot的足部設(shè)計是其擁有全地形運動能力的關(guān)鍵，為今后小尺寸軟體機器人的研發(fā)提供了新思路。這種足部和驅(qū)動設(shè)計使得其可在平面內(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)動力與機械學(xué)院博士生汪鑫，通訊作者為劉勝教授和薛龍建教授。該研究得到國家重點研發(fā)計劃項目和國家自然科學(xué)基金的支持。

  NISE-Lab長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等國際頂尖期刊以及書籍《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/