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  相對于傳統的機器人，軟體機器人由于具有極大的自由度和變形能力，在生產生活、醫療救援、航空航天和軍事等領域具有巨大的應用潛力。若軟體機器人尺寸降至厘米及以下，可以在狹小空間內（如廢墟狹縫、生物體內）完成各種復雜作業。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計卻很少，很多小型軟體機器人甚至缺乏足部設計，只是致動器的外沿與基底接觸。缺乏良好的足部設計，機器人往往需要粗糙或具有特殊結構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構扮演了關鍵角色：微納米剛毛結構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構可以產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。受到壁虎剛毛結構和尺蠖運動步態的啟發，武漢大學薛龍建教授課題組（NISE-Lab）設計制備出一種新型有足軟體機器人Geca-Robot（圖1）。這種機器人結構簡單，由“足”和“身體”兩個部分組成。機器人足部為仿壁虎剛毛結構的三角形柱狀陣列，可響應身體變化提供驅動力，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復合材料（GP）交替排列組成。利用GP中石墨烯的光熱效應，引起身體熱膨脹/收縮為Geca-Robot提供驅動。從紫外到紅外的全波段光都可以驅動Geca-Robot進行定向運動。

圖1. （a）受壁虎和尺蠖啟發的Geca-Robot及其（b）肌肉部分石墨烯/PDMS復合材料（GP）暗場光學照片和（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生輕微彎曲變形，但保持錨定狀態。當光照停止時，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F^-增加至f_A時，后足優先開始向前移動，收縮作用力不再增加，前足保持錨定狀態（圖2c）。通過光照的開/關循環，驅動Geca-Robot以尺蠖運動步態向前運動。Geca-Robot運動過程穩定性高，并可以通過調控輻照波長、強度和關照開關周期來進行精確控制。

圖2. Geca-Robot不同狀態的運動步態：（a）stand-by、（b）light-on和（c）light-off階段前足（左側）和后足（右側）狀態。當足與基底保持接觸時三角形柱子顯示深灰色，發生滑動時顯示為淺灰色，錨定狀態表現為三角形柱子發生彎曲變形。

  由于結合了仿壁虎剛毛的足部結構，Geca-Robot表現出優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定運動；在傾角高達30°的光滑表面上，仍可以穩定運動而不會發生滑移；可以在100 °C至-17 °C范圍內的表面上運動，表現出對具有大溫度范圍或極端溫度變化環境的良好適應性。此外，Geca-Robot還具有優秀的負載能力，可以負載超過其自重50倍的重物穩定運動。

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的足部設計是其擁有全地形運動能力的關鍵，為今后小尺寸軟體機器人的研發提供了新思路。這種足部和驅動設計使得其可在平面內發生形變，賦予Geca-Robot在狹窄封閉環境作業的能力；而其可以被紅外驅動的特性，使得其在醫療和工業應用領域擁有巨大應用潛力。

  該成果發表在材料領域頂尖期刊Materials Today（IF為24.372）上，并被選為內封面文章。論文的第一作者為武漢大學動力與機械學院博士生汪鑫，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計劃項目和國家自然科學基金的支持。

  NISE-Lab長期致力于仿生黏附材料的相關研究，相關成果還有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）。

  相關論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2019.12.028

  NISE-Lab 課題組網站：http://niselab.whu.edu.cn/