日前，西安交通大学邵金友教授、田洪淼教授团队在跨介质机器人领域取得重要进展，该研究的核心成果：仿生跨介质爬壁机器人（WCR），成功解决了传统机器人难以兼顾干燥与水下环境粘附性能的瓶颈。该研究不仅在仿生粘附力学机理上实现了理论创新，更通过创新的刚柔耦合设计，为复杂工业环境及高危作业场景提供了全新的解决方案。
相关成果发表于《Science Advances》。文章题目为：Bioinspired cross-medium wall-climbing robot with high-performance adhesion and contact adaptability, 论文第一作者为西安交大博士生（现港中文博士后）刘浩然。
通常情况下，具有高性能附着/抓取结构的爬壁机器人（WCRs）能够轻松替代人类完成各种重复性或挑战性任务，例如在空间受限、高风险或恶劣环境中进行现场检测或监测、核电站管道检查、打捞和救灾等。然而，近期研发的爬壁机器人更倾向于在特定场景中灵活移动（例如，在干燥或潮湿条件下在特定材料的特定表面上攀爬），这严重限制了爬壁机器人的爬行范围。理想情况下，配备多功能耐干、湿粘附系统的两栖爬壁机器人能够在陆地、水下和潮湿区域（包括水-气过渡区域）灵活爬行，同时在多种材料表面保持高性能粘附力，并能与不平坦的地形进行适应性接触。这些优越的特性将有助于爬壁机器人适应复杂的多介质环境，并更有效地拓展实际应用场景（例如，通过在池塘中入水和出水移动来监测水面及水下环境，或者在从室内/室外有利位置上进行长时间监视，如图1所示）。
图1.跨介质爬壁机器人结构及应用场景
为此，该团队提出了一种由一体化软硬复合履带辅助的跨介质、接触自适应、抗剥离的爬壁机器人（WCR）。所提出的爬壁机器人能够在不同材料的干燥表面和水下表面动态爬行，以不同倾角穿越水-气界面，逆水流移动，并越过障碍物或缝隙执行探测和监视任务。其中，机器人履带上的中空蘑菇形粘性微结构（HMSAMSs）结合了仿壁虎蘑菇状粘附结构外观形态和仿章鱼吸盘的中空腔体，通过分子间作用力和负压效应的共同作用，在干燥和水下环境中同时实现了法向和切向的粘附强度。嵌入硬核的中空蘑菇状粘性微结构薄膜离散分布在机器人履带的顶层，分别模拟了壁虎脚掌和章鱼触手上粘附结构的离散行为以及骨骼或软骨的高模量功能，其结构显著抑制了界面裂纹的扩展，优化了界面应力分布，并提高了机器人履带的剥离强度。此外，机器人履带基底中的离散柱子模仿了壁虎脚掌和章鱼触手中软肌肉的低弹性模量，使所提出的机器人在不平表面上表现出优异的接触适应性。同时，中空蘑菇状粘附微结构的高粘附-预压力比值有效防止了机器人在低预压力下的打滑和倾覆。具有上述优势的多层级机器人履带（高性能的跨介质粘附性、抗剥离性和接触适应性），使爬壁机器人在垂直表面上具备可靠的跨介质移动能力，极大地拓展了爬壁机器人在多介质环境中不同材料表面上的应用。
中空蘑菇状粘附结构(HMSAMSs)的粘附性能
受壁虎脚趾上刚毛形状的启发，蘑菇状粘附微结构（MSAMSs）在干燥环境中通过范德华力展现出持久、可重复且可逆的粘附性。在潮湿或水下条件下，受章鱼启发的空心微柱阵列利用吸盘效应，能够牢固且可重复地附着在众多物体表面，且不会造成非化学污染。通过结合蘑菇状粘附结构（MSAMSs）和空心微柱的形态，并继承它们优良的粘附性能，该团队研发出了中空蘑菇状粘附微结构（HMSAMSs）（图2A）。这些HMSAMSs 的形貌特点是在空心柱顶部双向延伸出帽檐（图2A），帽檐像吸盘边缘一样略微向上卷曲，这使得它们在低预压力下更易与物体表面实现紧密接触。这种微结构既能利用壁虎式的“范德华力”，在干燥表面实现高强度粘附，又能利用章鱼式的“负压效应”在水下产生强力吸附。实验数据表明，HMSAMSs在干燥和水下环境中的法向粘附力分别可达约240 kPa和290 kPa。更重要的是，由于微结构对水膜的独特利用，它在水下的粘附表现甚至优于干燥环境。通过对不同材质的粘附强度测试（图2G），在干燥和水下环境中，硅以及塑料表面[聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚酰亚胺（PI）] 上的法向和切向粘附力均超过100 kPa。在钢表面甚至超疏水表面（特氟龙）上，其数值始终大于50 kPa，这在一定程度上表明，分子间作用力和负压效应可普遍增强HMSAMSs对多种材料的粘附力。
图2.仿生 HMSAMSs 的微观形态特征与粘附性能
机器人履带的抗剥离性和接触适应性
除了HMSAMS粘附薄膜高强度粘附性外，优异的抗剥离性能对于跨介质爬壁机器人（WCR）在负载条件下实现低功耗、长期附着至关重要。此外，实现对非结构化地形的普遍适应性可以显著降低爬壁机器人对爬行表面地形的限制。因此，通过分别模仿壁虎脚掌和章鱼触手上皮粘附结构的离散行为以及骨骼或软骨的高模量特性，该团队将嵌入刚性硬核且机械离散的HMSAMS薄膜以特定间隔平行排列在机器人履带的表面上，以抑制界面裂纹扩展并增强粘附强度（或提高剥离阈值）。同时，为了增强对爬行表面的共形接触能力，通过模仿壁虎脚掌和章鱼触手上肌肉的低模量特性，该团队在履带基底中加入了离散的柱状阵列，以降低有效弹性模量并提高与目标表面的接触适应性。由此，该团队设计出了具有抗剥离性和接触适应性的机器人履带（图3A），使爬壁机器人能够在光滑和不平坦的垂直表面上稳定移动，并能在多种介质环境中长期附着。
图3. 机器人履带的宏观层级结构、附着性能及接触适应性
跨介质爬壁机器人及其跨介质粘附性能
利用所提出的HMSAMSs的耐干、湿特性，以及机器人履带优异的抗剥离性和接触适应性，该团队构建了两栖跨介质爬壁机器人（图4A），其主要由多个电子控制设备（电子调速器、接收器/发射器和控制手柄）、负压吸附系统（叶轮和防水电机）以及各种3D打印部件组成。其中，负压吸附系统安装在由3D打印部件构建的机器人身体中央，它通过动态调节电机速度，为机器人履带提供按需预压力；简单的电子控制设备使跨介质爬壁机器人能够实现无绳系运动（例如直线运动和转弯）。在机器人履带上的耐干、湿HMSAMSs辅助下，所提出的跨介质爬壁机器人能够在干燥环境（图4B）和水下（图4C）的垂直表面上稳健爬行，并且能够平稳地穿越水-气界面（图4D）。
图4. 跨介质爬壁机器人的多介质和跨介质粘附性能
跨介质爬壁机器人在多介质和跨介质环境中的攀爬性能
该机器人履带在多介质和跨介质环境中出色的附着性能和接触适应性，使跨介质爬壁机器人具备在复杂条件下稳定爬行的能力。特别是，机器人能以不同倾角（40°、60° 和 90°）从正表面和负表面快速穿越水-气界面，且不会打滑和倾倒（图5A），这体现了其对倾斜表面强大的适应性。由于机器人履带具有很强的动态和静态附着力，水陆两栖爬壁机器人（WCR）在干燥和水下环境中都能成功地在负表面（图5B）和侧壁（图5C）上攀爬。同时，所提出的机器人在倾斜的PMMA板上（倾斜角度：25°、45°和 90°, 图5D）面对1 L/min的水流时，仍展现出稳健的移动能力；并且在携带300 g重物跨越水-气界面时，表现出优异的攀爬性能（图5E）。机器人履带对不平地形的自适应能力，使爬壁机器人能够在高度不规则的表面（带有离散0.5 mm厚3M 胶带条的PMMA 板；图5F）上实现无缝的水-气过渡。此外，无论材料类型如何（玻璃、不锈钢和特氟龙），其爬墙能力都保持稳定，这是因为HMSAMSs对材料的普遍粘附性使爬壁机器人能够顺利跨越水-气界面（图5G）。
图5. 跨介质爬壁机器人的多介质和跨介质爬壁性能
跨介质爬壁机器人的应用
由于所提出的爬壁机器人（WCR）具有跨介质、抗剥离和接触适应性等性能，其在潜在的应用场景中能够快速完成多介质和跨介质的壁面爬行运动。例如，该机器人能在覆盖有残留水滴的竖直玻璃墙上灵活地从底部向上攀爬，同时利用其搭载的摄像头记录周围环境（图6A）。值得注意的是，由于机器人履带具有持续的零功耗湿表面附着能力，它可以在各种天气条件下从建筑物的有利位置持久监测周围环境，且无需消耗机载能源。同时，在某些池塘、河流或湖泊中，壁面爬行机器人能够隐藏在水下（尤其是浑浊的水中）以避免被探测到，必要时再沿着水位尺或竖直墙壁爬出水面观察周围情况（图6B）。此外，在某些非磁性光滑竖直壁面上（例如核电站中装满重水的不锈钢水槽），该机器人能够轻松地从不同方向（45°和90°）可逆地穿越水-气界面（图6C）。因此，它有望替代人类在放射性环境中执行危险任务。另外，在潮湿天气（例如“回南天”）或长时间降雨时，壁面爬行机器人能够牢牢攀爬在潮湿的天花板上，从隐蔽的、有利的位置监控室内区域（图6D）。最关键的是，所提出的无绳系爬壁机器人尺寸相对较小，可以成功穿过狭窄的竖直缝隙（图6E）和细长管道（图6F），为执行空间受限任务提供了一种可选择方案。尽管在上述场景中，爬行材料、环境条件和表面粗糙度存在显著差异，但这种跨介质爬壁机器人能够同时穿越这些场景，显示其卓越的多功能性和适应性。
图6. 跨介质爬壁机器人的应用
这项研究不仅在粘附机理上实现了突破，更通过高度集成的软硬复合设计，解决了机器人对爬行表面适应性差的难题。未来，这类机器人有望广泛应用于核电站管道检测、水下搜救、高层建筑监测等高风险环境，代替人类执行任务，成为真正的“全地形作业专家”。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea8014
