實(shí)現(xiàn)上墻自由的壁虎 —— 爬山“虎”

出品：科普中國(guó)

作者：宗衛(wèi)佳 王周義 (南京航空航天大學(xué))

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

每個(gè)少年都會(huì)有這樣一個(gè)武俠夢(mèng)——手持青鋒，頭戴斗笠，飛檐走壁，行俠仗義！而我們的現(xiàn)實(shí)生活中，還真有這么一位“大俠”，輕功過(guò)人，分分鐘就能實(shí)現(xiàn)“上墻自由”。

它就是我們今天的主角——壁虎。

壁虎漫步有妙招

豎直面、天花板、巖石縫隙中，大壁虎都能運(yùn)動(dòng)自如，真可以說(shuō)是全空間運(yùn)動(dòng)的小能手。這主要因?yàn)榇蟊诨⒌哪_掌具有黏附能力，大壁虎是各種黏附物種中體重最大的。

圖1 大壁虎在養(yǎng)殖環(huán)境中的照片

（圖片來(lái)源:作者提供）

科學(xué)家對(duì)其黏附機(jī)理的研究已經(jīng)較為成熟，壁虎的運(yùn)動(dòng)黏附器官是一種典型的多層級(jí)、分布式系統(tǒng)——每個(gè)腳掌上有五個(gè)獨(dú)立分布的腳趾，每個(gè)腳趾上分布著10-15個(gè)弧形皮瓣，皮瓣上覆蓋著數(shù)百萬(wàn)根微納米尺度的剛毛。腳掌的黏附力主要源于其底部微小剛毛與基底表面所產(chǎn)生的分子間作用力，這些剛毛直徑大約5μm，僅為人類頭發(fā)直徑的五十分之一，還真是連一根頭發(fā)絲兒都不如！這種黏附力的產(chǎn)生依賴于多層級(jí)的黏附系統(tǒng)（包括腳掌-腳趾-皮瓣-剛毛）以及對(duì)這種黏附系統(tǒng)高效且精細(xì)的調(diào)控。

圖2 壁虎的多層級(jí)黏附器官

（圖片來(lái)源:作者提供）

看壁虎如何實(shí)現(xiàn)“粘貼”自由

大壁虎是各種黏附物種中體重最大的，其對(duì)黏附能力的掌控不僅得益于分層級(jí)的黏附結(jié)構(gòu)，還依賴于對(duì)黏附結(jié)構(gòu)的高效精細(xì)調(diào)控。腳掌是大壁虎的黏附器官，具有剛?cè)狁詈系慕Y(jié)構(gòu)特性。對(duì)腳掌黏-脫附周期中運(yùn)動(dòng)行為的研究是了解黏附運(yùn)動(dòng)廣泛適應(yīng)性的基礎(chǔ)。腳掌的黏-脫附運(yùn)動(dòng)周期分為支撐和擺動(dòng)相位，其中支撐階段主要分為接觸、黏附和釋放三個(gè)階段。

圖3 壁虎前后腳掌黏脫附運(yùn)動(dòng)過(guò)程的不同階段

（圖片來(lái)源:作者提供）

已有研究表明大壁虎腳掌在黏附階段時(shí)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和布局與黏附力有關(guān)（方向和大?。?，比如大壁虎通過(guò)改變五個(gè)腳趾的布局來(lái)面對(duì)不同斜角的斜面以及重力加載方向，并通過(guò)改變支撐階段時(shí)腳趾的支撐姿態(tài)來(lái)應(yīng)對(duì)不同形狀的基底。此外，壁虎可以通過(guò)調(diào)整運(yùn)動(dòng)步態(tài)來(lái)適應(yīng)不同環(huán)境的運(yùn)動(dòng)需求，比如在豎直面不同方向運(yùn)動(dòng)時(shí)腳掌黏附時(shí)間發(fā)生調(diào)整，在不同斜角基底上運(yùn)動(dòng)速度明顯改變，然而研究發(fā)現(xiàn)單個(gè)腳趾完成黏附的時(shí)間保持不變。

對(duì)著壁虎腳丫子偷拍的怪科學(xué)家們

黏附運(yùn)動(dòng)中有關(guān)腳掌運(yùn)動(dòng)行為調(diào)控的研究還不夠完善，在黏脫附運(yùn)動(dòng)的不同階段，腳掌的動(dòng)作行為分別是怎樣的？各階段的動(dòng)作行為會(huì)不會(huì)影響到腳掌黏附的效果？……這些問(wèn)題還不明確。

為了對(duì)腳掌黏-脫附周期中的運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行系統(tǒng)化的研究，了解在不同運(yùn)動(dòng)環(huán)境下大壁虎腳掌的黏-脫附行為模式采取怎樣的適應(yīng)性調(diào)控策略，科研人員對(duì)大壁虎在不同傾斜表面（水平面、45度斜面和豎直面）和不同運(yùn)動(dòng)方向（向上和向下）上的黏-脫附運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行了研究?？梢哉f(shuō)是“懟腳直拍”了。

圖4 研究人員在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)大壁虎做實(shí)驗(yàn)

（圖片來(lái)源:作者提供）

研究中搭建了一套針對(duì)具有大柔性器官小動(dòng)物運(yùn)動(dòng)行為精準(zhǔn)測(cè)量的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，主要包含運(yùn)動(dòng)捕捉相機(jī)、Motive運(yùn)動(dòng)捕捉軟件以及數(shù)據(jù)傳輸和處理中心，對(duì)大壁虎在攀爬運(yùn)動(dòng)過(guò)程中軀干—肢體—腳掌等器官上的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行精確捕捉，記錄視頻序列并獲得標(biāo)記點(diǎn)在不同時(shí)刻下的三維位置數(shù)據(jù)，標(biāo)記點(diǎn)主要布置在肢體關(guān)節(jié)、腳趾尖和腳趾跟處。由此，對(duì)大壁虎的運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行記錄和量化處理，定義了一系列運(yùn)動(dòng)參量對(duì)腳掌運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定量表征，分析并總結(jié)前后腳掌的黏-脫附運(yùn)動(dòng)的行為模式，比較前后腳掌黏-脫附運(yùn)動(dòng)模式的差異性和相似性，總結(jié)腳掌與肢體運(yùn)動(dòng)的協(xié)作關(guān)系。

圖5 南京航空航天大學(xué)仿生所搭建的運(yùn)動(dòng)行為-反力同步精準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)

（圖片來(lái)源:作者提供）

跟著我前腳、后腳一個(gè)慢動(dòng)作

大壁虎前后腳掌的黏-脫附運(yùn)動(dòng)周期在不同環(huán)境下保持驚人的相似性，比如：在接觸階段的接觸時(shí)間百分比（前腳：7.42%；后腳7.44%）和彎曲角度（前腳41°；后腳51°）、前腳掌的運(yùn)動(dòng)范圍（偏航163°；俯仰309°）及后腳掌的俯仰范圍（164°）。

圖6 大壁虎在不同傾斜度基底上下攀爬運(yùn)動(dòng)中前后腳掌的運(yùn)動(dòng)角度

（圖片來(lái)源:作者提供）

此外，黏附腳掌的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)保持不變，主要表現(xiàn)為：前后腳掌運(yùn)動(dòng)角度（包括偏航和俯仰角）在單個(gè)黏-脫附周期中的變化趨勢(shì)保持一致，前后腳掌偏航角都具有先減小后增大的趨勢(shì)。此外，前腳掌和后腳掌的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)具有明顯差異：前腳掌俯仰角的變化趨勢(shì)與后腳掌相反，前腳掌俯仰角先減小后增大，而后腳先增大后減?。磺仪澳_掌的運(yùn)動(dòng)角度范圍相比后腳掌更大，這種差異性這主要是由于前腳和后腳具有不同的解剖結(jié)構(gòu)和功能需求。研究結(jié)果展現(xiàn)了壁虎前后黏附腳掌在黏-脫附周期中的運(yùn)動(dòng)行為具有一致性，這體現(xiàn)出腳掌黏-脫附運(yùn)動(dòng)周期中存在的節(jié)律性，這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律減少了黏附腳掌在應(yīng)對(duì)不同環(huán)境時(shí)運(yùn)動(dòng)調(diào)控的復(fù)雜性。

圖7 大壁虎在前后腳掌在黏脫附運(yùn)動(dòng)周期不同階段的姿態(tài)展示

（圖片來(lái)源:作者提供）

大壁虎的柔性黏附腳掌在不同環(huán)境下的黏-脫附運(yùn)動(dòng)周期具有相同的規(guī)律，包括腳掌在空中的擺動(dòng)姿態(tài)以及在接觸基底時(shí)候的彎曲程度等，這主要是因?yàn)槟_掌具有剛?cè)狁詈系慕Y(jié)構(gòu)特性和特定的黏附功能需求。那么面對(duì)環(huán)境的變化，大壁虎可通過(guò)調(diào)節(jié)具有多自由度的肢體的運(yùn)動(dòng)，配合腳掌的黏-脫附運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在各種環(huán)境下快速、穩(wěn)定的攀爬運(yùn)動(dòng)，成為飛檐走壁的高手。

“大俠壁虎”啟發(fā)我們，對(duì)于具有大柔性腳掌結(jié)構(gòu)和高自由度肢體的仿生黏附機(jī)器人，腳掌的運(yùn)動(dòng)控制往往具有通用性，肢體則要根據(jù)環(huán)境的變化進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)節(jié)。同樣地，我們是否還能從其他的神奇動(dòng)物身上得到啟發(fā)，設(shè)計(jì)有趣又有用的發(fā)明呢？這可能就是科學(xué)的迷人之處。

備注：所有圖片均來(lái)自南京航空航天大學(xué)仿生所運(yùn)動(dòng)力學(xué)組。

（審核：毛萍 趙鶴凌）

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