實現(xiàn)上墻自由的壁虎 —— 爬山“虎”

出品：科普中國

作者：宗衛(wèi)佳 王周義 (南京航空航天大學(xué))

監(jiān)制：中國科普博覽

每個少年都會有這樣一個武俠夢——手持青鋒，頭戴斗笠，飛檐走壁，行俠仗義！而我們的現(xiàn)實生活中，還真有這么一位“大俠”，輕功過人，分分鐘就能實現(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，大壁虎都能運動自如，真可以說是全空間運動的小能手。這主要因為大壁虎的腳掌具有黏附能力，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

（圖片來源:作者提供）

科學(xué)家對其黏附機理的研究已經(jīng)較為成熟，壁虎的運動黏附器官是一種典型的多層級、分布式系統(tǒng)——每個腳掌上有五個獨立分布的腳趾，每個腳趾上分布著10-15個弧形皮瓣，皮瓣上覆蓋著數(shù)百萬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)生依賴于多層級的黏附系統(tǒng)（包括腳掌-腳趾-皮瓣-剛毛）以及對這種黏附系統(tǒng)高效且精細的調(diào)控。

圖2 壁虎的多層級黏附器官

（圖片來源:作者提供）

看壁虎如何實現(xiàn)“粘貼”自由

大壁虎是各種黏附物種中體重最大的，其對黏附能力的掌控不僅得益于分層級的黏附結(jié)構(gòu)，還依賴于對黏附結(jié)構(gòu)的高效精細調(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。對腳掌黏-脫附周期中運動行為的研究是了解黏附運動廣泛適應(yīng)性的基礎(chǔ)。腳掌的黏-脫附運動周期分為支撐和擺動相位，其中支撐階段主要分為接觸、黏附和釋放三個階段。

圖3 壁虎前后腳掌黏脫附運動過程的不同階段

（圖片來源:作者提供）

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

對著壁虎腳丫子偷拍的怪科學(xué)家們

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

為了對腳掌黏-脫附周期中的運動行為進行系統(tǒng)化的研究，了解在不同運動環(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）和不同運動方向（向上和向下）上的黏-脫附運動行為進行了研究。可以說是“懟腳直拍”了。

圖4 研究人員在實驗室內(nèi)對大壁虎做實驗

（圖片來源:作者提供）

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

圖5 南京航空航天大學(xué)仿生所搭建的運動行為-反力同步精準測試系統(tǒng)

（圖片來源:作者提供）

跟著我前腳、后腳一個慢動作

大壁虎前后腳掌的黏-脫附運動周期在不同環(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°）、前腳掌的運動范圍（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動中前后腳掌的運動角度

（圖片來源:作者提供）

此外，黏附腳掌的運動姿態(tài)保持不變，主要表現(xiàn)為：前后腳掌運動角度（包括偏航和俯仰角）在單個黏-脫附周期中的變化趨勢保持一致，前后腳掌偏航角都具有先減小后增大的趨勢。此外，前腳掌和后腳掌的運動姿態(tài)具有明顯差異：前腳掌俯仰角的變化趨勢與后腳掌相反，前腳掌俯仰角先減小后增大，而后腳先增大后減??；且前腳掌的運動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-脫附周期中的運動行為具有一致性，這體現(xiàn)出腳掌黏-脫附運動周期中存在的節(jié)律性，這種運動規(guī)律減少了黏附腳掌在應(yīng)對不同環(huán)境時運動調(diào)控的復(fù)雜性。

圖7 大壁虎在前后腳掌在黏脫附運動周期不同階段的姿態(tài)展示

（圖片來源:作者提供）

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

“大俠壁虎”啟發(fā)我們，對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器人，腳掌的運動控制往往具有通用性，肢體則要根據(jù)環(huán)境的變化進行適應(yīng)性調(diào)節(jié)。同樣地，我們是否還能從其他的神奇動物身上得到啟發(fā)，設(shè)計有趣又有用的發(fā)明呢？這可能就是科學(xué)的迷人之處。

備注：所有圖片均來自南京航空航天大學(xué)仿生所運動力學(xué)組。

（審核：毛萍 趙鶴凌）

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