日前，西安交通大學邵金友教授、田洪淼教授團隊在跨介質機器人領域取得重要進展，該研究的核心成果：仿生跨介質爬壁機器人（WCR），成功解決了傳統機器人難以兼顧干燥與水下環境粘附性能的瓶頸。該研究不僅在仿生粘附力學機理上實現了理論創新，更通過創新的剛柔耦合設計，為復雜工業環境及高危作業場景提供了全新的解決方案。
相關成果發表于《Science Advances》。文章題目為：Bioinspired cross-medium wall-climbing robot with high-performance adhesion and contact adaptability, 論文第一作者為西安交大博士生（現港中文博士后）劉浩然。
通常情況下，具有高性能附著/抓取結構的爬壁機器人（WCRs）能夠輕松替代人類完成各種重復性或挑戰性任務，例如在空間受限、高風險或惡劣環境中進行現場檢測或監測、核電站管道檢查、打撈和救災等。然而，近期研發的爬壁機器人更傾向于在特定場景中靈活移動（例如，在干燥或潮濕條件下在特定材料的特定表面上攀爬），這嚴重限制了爬壁機器人的爬行范圍。理想情況下，配備多功能耐干、濕粘附系統的兩棲爬壁機器人能夠在陸地、水下和潮濕區域（包括水-氣過渡區域）靈活爬行，同時在多種材料表面保持高性能粘附力，并能與不平坦的地形進行適應性接觸。這些優越的特性將有助于爬壁機器人適應復雜的多介質環境，并更有效地拓展實際應用場景（例如，通過在池塘中入水和出水移動來監測水面及水下環境，或者在從室內/室外有利位置上進行長時間監視，如圖1所示）。
圖1.跨介質爬壁機器人結構及應用場景
為此，該團隊提出了一種由一體化軟硬復合履帶輔助的跨介質、接觸自適應、抗剝離的爬壁機器人（WCR）。所提出的爬壁機器人能夠在不同材料的干燥表面和水下表面動態爬行，以不同傾角穿越水-氣界面，逆水流移動，并越過障礙物或縫隙執行探測和監視任務。其中，機器人履帶上的中空蘑菇形粘性微結構（HMSAMSs）結合了仿壁虎蘑菇狀粘附結構外觀形態和仿章魚吸盤的中空腔體，通過分子間作用力和負壓效應的共同作用，在干燥和水下環境中同時實現了法向和切向的粘附強度。嵌入硬核的中空蘑菇狀粘性微結構薄膜離散分布在機器人履帶的頂層，分別模擬了壁虎腳掌和章魚觸手上粘附結構的離散行為以及骨骼或軟骨的高模量功能，其結構顯著抑制了界面裂紋的擴展，優化了界面應力分布，并提高了機器人履帶的剝離強度。此外，機器人履帶基底中的離散柱子模仿了壁虎腳掌和章魚觸手中軟肌肉的低彈性模量，使所提出的機器人在不平表面上表現出優異的接觸適應性。同時，中空蘑菇狀粘附微結構的高粘附-預壓力比值有效防止了機器人在低預壓力下的打滑和傾覆。具有上述優勢的多層級機器人履帶（高性能的跨介質粘附性、抗剝離性和接觸適應性），使爬壁機器人在垂直表面上具備可靠的跨介質移動能力，極大地拓展了爬壁機器人在多介質環境中不同材料表面上的應用。
中空蘑菇狀粘附結構(HMSAMSs)的粘附性能
受壁虎腳趾上剛毛形狀的啟發，蘑菇狀粘附微結構（MSAMSs）在干燥環境中通過范德華力展現出持久、可重復且可逆的粘附性。在潮濕或水下條件下，受章魚啟發的空心微柱陣列利用吸盤效應，能夠牢固且可重復地附著在眾多物體表面，且不會造成非化學污染。通過結合蘑菇狀粘附結構（MSAMSs）和空心微柱的形態，并繼承它們優良的粘附性能，該團隊研發出了中空蘑菇狀粘附微結構（HMSAMSs）（圖2A）。這些HMSAMSs 的形貌特點是在空心柱頂部雙向延伸出帽檐（圖2A），帽檐像吸盤邊緣一樣略微向上卷曲，這使得它們在低預壓力下更易與物體表面實現緊密接觸。這種微結構既能利用壁虎式的“范德華力”，在干燥表面實現高強度粘附，又能利用章魚式的“負壓效應”在水下產生強力吸附。實驗數據表明，HMSAMSs在干燥和水下環境中的法向粘附力分別可達約240 kPa和290 kPa。更重要的是，由于微結構對水膜的獨特利用，它在水下的粘附表現甚至優于干燥環境。通過對不同材質的粘附強度測試（圖2G），在干燥和水下環境中，硅以及塑料表面[聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚酰亞胺（PI）] 上的法向和切向粘附力均超過100 kPa。在鋼表面甚至超疏水表面（特氟龍）上，其數值始終大于50 kPa，這在一定程度上表明，分子間作用力和負壓效應可普遍增強HMSAMSs對多種材料的粘附力。
圖2.仿生 HMSAMSs 的微觀形態特征與粘附性能
機器人履帶的抗剝離性和接觸適應性
除了HMSAMS粘附薄膜高強度粘附性外，優異的抗剝離性能對于跨介質爬壁機器人（WCR）在負載條件下實現低功耗、長期附著至關重要。此外，實現對非結構化地形的普遍適應性可以顯著降低爬壁機器人對爬行表面地形的限制。因此，通過分別模仿壁虎腳掌和章魚觸手上皮粘附結構的離散行為以及骨骼或軟骨的高模量特性，該團隊將嵌入剛性硬核且機械離散的HMSAMS薄膜以特定間隔平行排列在機器人履帶的表面上，以抑制界面裂紋擴展并增強粘附強度（或提高剝離閾值）。同時，為了增強對爬行表面的共形接觸能力，通過模仿壁虎腳掌和章魚觸手上肌肉的低模量特性，該團隊在履帶基底中加入了離散的柱狀陣列，以降低有效彈性模量并提高與目標表面的接觸適應性。由此，該團隊設計出了具有抗剝離性和接觸適應性的機器人履帶（圖3A），使爬壁機器人能夠在光滑和不平坦的垂直表面上穩定移動，并能在多種介質環境中長期附著。
圖3. 機器人履帶的宏觀層級結構、附著性能及接觸適應性
跨介質爬壁機器人及其跨介質粘附性能
利用所提出的HMSAMSs的耐干、濕特性，以及機器人履帶優異的抗剝離性和接觸適應性，該團隊構建了兩棲跨介質爬壁機器人（圖4A），其主要由多個電子控制設備（電子調速器、接收器/發射器和控制手柄）、負壓吸附系統（葉輪和防水電機）以及各種3D打印部件組成。其中，負壓吸附系統安裝在由3D打印部件構建的機器人身體中央，它通過動態調節電機速度，為機器人履帶提供按需預壓力；簡單的電子控制設備使跨介質爬壁機器人能夠實現無繩系運動（例如直線運動和轉彎）。在機器人履帶上的耐干、濕HMSAMSs輔助下，所提出的跨介質爬壁機器人能夠在干燥環境（圖4B）和水下（圖4C）的垂直表面上穩健爬行，并且能夠平穩地穿越水-氣界面（圖4D）。
圖4. 跨介質爬壁機器人的多介質和跨介質粘附性能
跨介質爬壁機器人在多介質和跨介質環境中的攀爬性能
該機器人履帶在多介質和跨介質環境中出色的附著性能和接觸適應性，使跨介質爬壁機器人具備在復雜條件下穩定爬行的能力。特別是，機器人能以不同傾角（40°、60° 和 90°）從正表面和負表面快速穿越水-氣界面，且不會打滑和傾倒（圖5A），這體現了其對傾斜表面強大的適應性。由于機器人履帶具有很強的動態和靜態附著力，水陸兩棲爬壁機器人（WCR）在干燥和水下環境中都能成功地在負表面（圖5B）和側壁（圖5C）上攀爬。同時，所提出的機器人在傾斜的PMMA板上（傾斜角度：25°、45°和 90°, 圖5D）面對1 L/min的水流時，仍展現出穩健的移動能力；并且在攜帶300 g重物跨越水-氣界面時，表現出優異的攀爬性能（圖5E）。機器人履帶對不平地形的自適應能力，使爬壁機器人能夠在高度不規則的表面（帶有離散0.5 mm厚3M 膠帶條的PMMA 板；圖5F）上實現無縫的水-氣過渡。此外，無論材料類型如何（玻璃、不銹鋼和特氟龍），其爬墻能力都保持穩定，這是因為HMSAMSs對材料的普遍粘附性使爬壁機器人能夠順利跨越水-氣界面（圖5G）。
圖5. 跨介質爬壁機器人的多介質和跨介質爬壁性能
跨介質爬壁機器人的應用
由于所提出的爬壁機器人（WCR）具有跨介質、抗剝離和接觸適應性等性能，其在潛在的應用場景中能夠快速完成多介質和跨介質的壁面爬行運動。例如，該機器人能在覆蓋有殘留水滴的豎直玻璃墻上靈活地從底部向上攀爬，同時利用其搭載的攝像頭記錄周圍環境（圖6A）。值得注意的是，由于機器人履帶具有持續的零功耗濕表面附著能力，它可以在各種天氣條件下從建筑物的有利位置持久監測周圍環境，且無需消耗機載能源。同時，在某些池塘、河流或湖泊中，壁面爬行機器人能夠隱藏在水下（尤其是渾濁的水中）以避免被探測到，必要時再沿著水位尺或豎直墻壁爬出水面觀察周圍情況（圖6B）。此外，在某些非磁性光滑豎直壁面上（例如核電站中裝滿重水的不銹鋼水槽），該機器人能夠輕松地從不同方向（45°和90°）可逆地穿越水-氣界面（圖6C）。因此，它有望替代人類在放射性環境中執行危險任務。另外，在潮濕天氣（例如“回南天”）或長時間降雨時，壁面爬行機器人能夠牢牢攀爬在潮濕的天花板上，從隱蔽的、有利的位置監控室內區域（圖6D）。最關鍵的是，所提出的無繩系爬壁機器人尺寸相對較小，可以成功穿過狹窄的豎直縫隙（圖6E）和細長管道（圖6F），為執行空間受限任務提供了一種可選擇方案。盡管在上述場景中，爬行材料、環境條件和表面粗糙度存在顯著差異，但這種跨介質爬壁機器人能夠同時穿越這些場景，顯示其卓越的多功能性和適應性。
圖6. 跨介質爬壁機器人的應用
這項研究不僅在粘附機理上實現了突破，更通過高度集成的軟硬復合設計，解決了機器人對爬行表面適應性差的難題。未來，這類機器人有望廣泛應用于核電站管道檢測、水下搜救、高層建筑監測等高風險環境，代替人類執行任務，成為真正的“全地形作業專家”。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea8014
