2000年，美国Autumn等人在Nature上发表论文，测量单根壁虎脚掌刚毛的黏附力，证明刚毛与表面接触的黏附力是通过分子间的范德华力作用实现的。论文还说明，尽管范德华力的数值很小，但数量足够多的接触点所产生的范德华力总和足以支持壁虎的全身重量［37］。

在显微镜下，壁虎的脚掌如图1.5所示。图1.5（a）是壁虎单个脚掌；图1.5（b）和（c）是一个脚趾上的刚毛不同角度的扫描电镜图；图1.5（d）是刚毛的末端分叉（纳米级的绒毛）。图中ST：刚毛；SP：绒毛；BR：分支。从图中可以看出，壁虎每支脚的底部长着数百万根极细的刚毛，而每根刚毛末端又有约400根至1 000根更细的分支。1 mm2上约有5 000根长度为30～130μm的刚毛，每支脚上就有近50万根刚毛，每根刚毛又有400～1 000根长度约0.5μm、宽度约0.2μm、厚度约5 nm的绒毛，纳米级的绒毛与接触表面接触并产生“范德华力”，完成脚掌的黏附。

图1.5　壁虎脚掌的微观层级结构［38］

实验发现，壁虎在三维空间快速机动运动时，其脚掌黏附具有以下特点：

（1）各向异性的黏附能力。壁虎附着于光滑的水平面、垂直面与天花板面，刚毛一律向着脚后取向，并向后拉伸，柔性脚瓣向外伸张，使刚毛最大限度地附着在物体表面上，增大黏附力；脱附时，壁虎脚掌外翻，改变刚毛的拉伸方向，便快速完成脱附，从而实现在光滑平面上自由行走。脚掌产生黏附与摩擦的能力具有明确的各向异性，这是壁虎实现稳定附着和快速运动的重要条件。

（2）滑黏现象。壁虎脚掌在自然状态下并不产生可支持自身重量的黏附力，其脚掌复杂的层级结构使得自然状态下刚毛与接触面的接触点可调节。

（3）法向脱附力小。实验发现，壁虎在15 ms的时间内以几乎为零的法向脱附力实现快速脱附。

Autumn等人［38-40］揭示了壁虎脚掌的黏附特性及黏附机理，掀起了仿壁虎黏附材料的干性黏附机理的研究热潮，并将干黏附材料应用于机器人。其中最典型的是2006年斯坦福大学（Stanford University）研制的仿生爬壁机器人Stickybot，该机器人无论是外形还是黏附机理都与壁虎相似，其足端有四片采用人造刚毛（特殊橡胶材料）结构的柔软脚趾，利用分子之间的范德华力使机器人在墙壁上黏附并实现了在垂直粗糙平面上的爬行，如图1.6（a）所示［41-43］，该机器人的成功研制是仿生爬壁机器人研究的重要一环。经过多年对机器人的研究和改进，该团队受壁虎脚掌启发采用肌腱结构研制了StickybotⅢ，这种肌腱结构显著增强了机器人的负载能力，如图1.6（b）所示［44］。新的足部结构可以使脚底的干黏附材料受力均匀，较硬的脚趾可以防止干黏附材料过早脱落。已有录像资料表明，这两种机器人目前都实现了在竖直平面的爬行，但并未实现在负表面上的稳定黏附爬行。

图1.6　斯坦福大学研制的爬壁机器人

（a）Stickybot；（b）StickybotⅢ

美国凯斯西储大学（Case Western Reserve University）的Daltorio等人［45］于2005年研制了一款轮式爬壁机器人Mini-Whegs，如图1.7所示。该机器人是一款轮式驱动机器人，每个轮子有四个支架用于附着长条状的黏附材料，运用轮式结构的转动实现吸附和脱附运动。该机器人已实现在竖直玻璃面的爬行，但因其结构的特殊性，机器人只能前进不能后退。凯斯西储大学的Breckwoldt等人［46］于2015年设计了另一款轮式爬壁机器人，样机如图1.8所示。相较于Mini-Whegs，该机器人只有两个旋转的轮腿，在结构上更为简单，运动更为轻便灵巧。该机器人轮子上附着有MSAMS（Mushroom-Shaped Adhesive Microstructure，蘑菇状胶黏剂微观结构）黏附材料，实现了从水平面到竖直面、从竖直面到负表面的内角过渡，且能够在倒置的光滑面稳定黏附运动。该机器人同样只能前进不能后退。加利福尼亚大学伯克利分校与iRobot公司合作开发了一款名为Mecho-Gecko［47］的爬壁机器人，实物如图1.9所示。该机器人是两轮驱动的四轮式机器人，后面两个非驱动轮主要用于提高机器人的运动稳定性，驱动轮上装有三个附着了黏附材料的脚掌，通过轮子的转动实现黏附材料对壁面的吸附和脱附。从轮式的工作原理看，该机器人工作原理简单，但不具备对非结构高低不平的负表面环境良好适应的可能性。

图1.7　Mini-Whegs

图1.8　轮式爬壁机器人

图1.9　Mecho-Gecko

卡耐基梅隆大学（Carnegie Mellon University，CMU）的微小型机器人（Nano Robotics）实验室研制了一款名为Waalbot的微小型机器人［48］，如图1.10（a）所示。该机器人为轮式移动机器人，驱动轮设计与Mecho-Gecko类似，由两个驱动电动机分别驱动一组三脚轮，每个轮子上各有三个圆盘状脚垫，脚垫上带有干黏附材料。该机器人因其结构的特殊性，可以实现任意角度的快速转弯功能和壁面过渡，且能够在竖直面以6 cm／s的速度爬行，但不能实现在负表面的稳定爬行。该团队对Waalbot进行优化，研制了第二代爬壁机器人WaalbotⅡ［49］，如图1.10（b）所示，优化的地方主要包括尾巴结构、足端结构等。该机器人质量只有85 g，当在光滑的竖直面上爬行时，其有效负载可达100 g；在没有负载的情况下，能够以5 cm／s的速度在任意方向的平面上爬行。与Waalbot相比，WaalbotⅡ的整体爬壁能力更强，对壁面要求较低，能够在非光滑表面以及光滑的负表面爬行。

图1.10　卡耐基梅隆大学研制的轮式爬壁机器人

（a）Waalbot；（b）WaalbotⅡ(www.daowen.com)

Krahn等人［50］研制了履带式爬壁机器人TBCP-Ⅱ，该机器人将两个独立的履带式模块通过中间的关节连接，如图1.11所示。每段履带上都有干黏附材料附着，当进行爬壁运动时，后段的履带结构为前段的履带结构提供预压力，以确保机器人不会从墙上脱落。传感器检测必要的信息，控制策略用于保证机器人在墙壁上的稳定黏附。该机器人已经实现了在竖直面的爬行，并实现了水平面与竖直面之间的灵活过渡。马来西亚蒙纳士大学（Monash University）的Keng Huat Koh等人［51］研制了一款基于干黏附技术的履带式爬壁机器人ELAD，如图1.12所示。该机器人大小为290 mm×380 mm×65 mm（不包括尾巴），质量约为2.0 kg（包括所有车载电子产品和电池），且机器人左右质量分布均匀。该机器人可以在80°的光滑表面（玻璃、瓷砖等）稳定爬行。以上两款履带式爬壁机器人与接触表面的黏附面积较大，负载能力较强，但只能直线前行，不能实现转弯，且未能实现在负表面上的稳定黏附。

图1.11　TBCP-Ⅱ

图1.12　ELAD

卡耐基梅隆大学研制了两款仿生足式爬壁机器人，其中一款为Geckobot［52］，如图1.13（a）所示。该机器人由PIC16F737单片机控制，采用干黏附材料附着于脚掌，通过四足与壁面的交替黏附，已经实现了在倾角85°的平面上的稳定黏附运动，但是该机器人对爬行表面的适应性不够，且未能实现在负表面爬行的目标。Geckobot的机械结构如图1.14、图1.15所示，该机器人脱附时，舵机A左旋拉动绳索将各脚掌部分拉起，吸附时舵机右旋依靠自身的弹力进行吸附［53］。另外一款机器人的结构较为复杂，机器人的机身由两个机架构成，每个机架上分别连接对称的4条腿，共8条腿，样机如图1.13（b）所示。在每条腿上的两侧分别安装1个附着有黏附材料的脚掌，机器人主要依靠两个机架的切换带着该机架上8个脚掌实现黏附和脱附运动，即该机器人的实质运动自由度只有1个。该机器人在运动过程中至少有4个脚掌同时黏附，因此负载能力较强，该机器人已实现了在负表面的稳定爬行，且在光滑的负表面爬行时最大可承受2 N的负载［54］。但是该机器人自由度少，只能实现前进和后退，且运动功能单一。

图1.13　卡耐基梅隆大学研制的足式爬壁机器人

（a）Geckobot；（b）负表面爬行机器人

图1.14　脚掌使用主动吸附和脱附装置的爬壁机器人—Geckobot

图1.15　Geckobot机器人的脚部结构

韩国蔚山国家科学技术研究所的研究人员研制出了一款能在水下进行负表面爬行的仿壁虎机器人UNIclimb［55］，如图1.16所示。该机器人主要由三部分组成：机身机构、四条腿以及带有黏附垫的四只脚掌。身体和腿、腿和脚掌之间安装有伺服电动机，足端黏附垫采用黏附材料聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS），被动脱附方式的黏附脚掌增加了能量损耗，机器人以三角步态在负表面上实现了稳定黏附运动，移动速度为1 mm／s。该机器人采用3D打印技术制成，其表面覆盖的SiO2-F纳米粒子使其具有很好的防水功能，实现了在潮湿、阴雨或完全潮湿的环境下工作。但是由于其身体主要由3D打印材料制成并覆盖了疏水材料，因而其结构强度低，负载能力不强，且工作环境要求相对较高。

图1.16　负表面爬行机器人UNIclimb

（a）结构；（b）实物

国外著名生物学家Robert Full研究团队，通过对生物壁虎运动行为的长期观测，发现了壁虎在爬行跳跃飞行中能够通过尾巴调节自身的姿态，具有能使自身保持有效平衡的功能［5 6］。由此，该团队研发了一款具有用尾巴调节自身姿态功能的移动小车。该小车的尾巴可以在降落过程中调节自身的姿态，以保持车身的平衡性，从而在落地的时候不会造成倾翻，如图1.17所示。2012年，该团队在Nature上发表了一篇关于用尾巴调节自身姿态的文章，从生物学研究角度，对壁虎尾巴具有一定的调节姿态的功能进行了定性的验证。但微重力环境下的空间仿壁虎机器人姿态调控以及稳定着陆，还需进一步深入研究。

图1.17　具有仿壁虎尾巴的小车（图片下部为壁虎模型）

美国国家航空和宇宙航行局喷气推进实验室JPL，正在研发一款“壁虎夹具”系统，该系统可以帮助机器人检查和维修空间站的外部设备，并可以在地球轨道上进行广泛的活动，目前该系统已被安装于攀爬机器人Lemur 3上，如图1.18所示［57］。但是该机器人不具有尾巴调整自身姿态的功能。

图1.18　具有“壁虎夹具”的Lemur 3机器人