前沿 | 从壁虎爬墙到太空抓取，斯坦福大学Cutkosky教授讲述如何开启仿生设计之门

2018年11月21日，美国斯坦福大学（Stanford University）的Mark R. Cutkosky教授访问北航机械工程及自动化学院，并做题为“仿生柔体机器人的可控环境交互”的专题报告。

引言

机器人已从传统工业制造延伸至各行各业中。通过对材料和机构的合理集成，引入感知反馈和控制方法，可研发出和动物行为特征相近的仿生机器人。但是，许多生物体接触环境时，会表现出方向各异的特性，需对仿生机器人与环境的接触进行研究。

一、从生物学到仿生设计

（一）来自动物舌头的启发

动物在进食时，借助牙齿、手掌、爪子和嘴唇可将一些滑的、有毛的或者大而扁平的食物拖入口中，而舌头通常被视作一个味觉和咀嚼器官。但是，动物的舌头同样具备非常优异的抓取功能，舌头表面的突起和唾液除了传递味觉，也可加强食物的附着。

多数柔体动物都有一些相对坚硬或者不可延展的部分，提高自身功能性，舌头也不例外。部分动物舌头上富含丝状乳头（Filiform Papillae），长度相差三个量级，柔软程度差异明显。长度大于1mm的丝状乳头硬度很高，帮助舌头抓取食物，受力时在根部产生应力；长度介于0.01mm-0.5mm的乳头较柔软，主要用于舌头表面的唾液保持；更小尺寸的乳头用于留存粘性唾液，提高食物的附着力。

部分动物舌头的丝状乳头形状

对动物舌头机理的研究可为机器人研究提供大量灵感：

• 舌头具备味觉和抓取功能，有助于需要同时搬运和感知物体的柔体机器人研究；

• 舌头往往工作在潮湿环境，有助于手术机器人的柔性手术钳研究，因为后者工作时会经常触碰人体组织和体液；

• 味觉感知功能有助于人体假肢、人机交互和先进机器人控制研究。

（二）仿生设计流程

• 第一阶段：生物启发。保有好奇心去发现是否有可应用的生物功能，聚焦研究主体。

• 第二阶段：生物学论证。通过查阅生物学文献和求助专家，论证生物实现功能的机理。

• 第三阶段：提出仿生假设。根据生物学机理，提出一些仿生设计中的假设和准则。

• 第四阶段：制作机器人。依照设计准则制作机器人，常用3D打印和形状沉积制造技术（Shape Deposition Manufacturing, SDM）。

• 第五阶段：机器人性能分析。分析机器人的性能与生物功能的差异，修正第三阶段提出的假设和准则，优化仿生设计。

仿生设计流程

（三）仿生设计的建议

• 在实现功能的前提下，减小仿生机构的复杂性，降低维度；

• 进行有效的能量管理，合理分布和传递动力；

• 使用多功能材料，形成完整、稳定和可调的机器人；

• 探索机器人与环境的交互。

二、壁虎仿生机器人设计

（一）壁虎脚的生物特征

壁虎脚有等级分明的吸附系统：

• 第一级，壁虎通过移动腿、脚和脚趾可以灵活的适应接触表面。

• 第二级，脚趾表面有数个薄片结构（Lamella），可在毫米级别适应表面变化。

• 第三级，薄片上覆盖着刚毛阵列（Arrays of Setae），刚毛（Seta）长度通常为100微米，直径5微米，且随脚趾长度改变。刚毛的平均密度每平方毫米14400株。

• 第四级，刚毛顶端有100-1000株铲状匙突（Spatula），呈三角形并向远离刚毛的方向展开，厚度约10纳米，最宽处150-275纳米。

这种次微米的结构可保证与表面的紧密接触，分支结构可保证所有微小接触面共同支撑壁虎身体，从而达到脚趾的最小化。

壁虎脚趾的分级吸附系统

（二）壁虎仿生机器人

壁虎仿生机器人（Stickybot）拥有简化的分级吸附系统。机器人由12个伺服电机驱动，拥有32个自由度，处于高度欠驱动（Underactuated）状态，有利于节能、减重、降低成本。

机器人的躯干、腿和脚采用聚氨酯（Polyurethane）SDM方法制造。上躯干、下躯干和前腿使用碳纤维进行强化，使其具备足够的强度和刚度。躯干中段设计为柔性结构以适应攀爬表面，并具备足够刚度确保四肢可以施加±1N的法向力。

机器人的脚具备四个脚趾，采用两种等级的聚氨酯材料制成，中间夹有一个聚酯织物（Polyester Fabric）薄层。这个织物薄层容易弯曲，但延展性较差，可避免应力集中，用于传递吸附所需的剪切应力。脚趾的弯曲运动由推拉绳索驱动，可使机器人在不同曲率的表面进行吸附和分离。

机器人通过脚趾的合成吸附片适应环境表面，吸附片由微小、非对称的定向聚合株组成，弹性模量约300kPa。聚合株的几何尺寸根据切向加载时吸附力最优化设计，同时保证其弹性模量在法向较小，在承载方向满足要求。

机器人脚趾具有各向异性的吸附力，在沿定向聚合株倾斜方向施加切向力，会产生显著吸附力，为机器人提供足够爬行动力。相反，沿倾斜方向的反向施加切向力，则不会产生吸附力，便于机器人与接触表面分离。最后，对机器人进行力控制，可使机器人沿垂直表面进行顺利的攀爬。

壁虎仿生机器人

三、让人类沿竖直墙壁自由爬行：大负载的吸附

壁虎仿生机器人已经可以沿竖直表面爬行，如何实现更大负载的吸附？人类能否像壁虎那样在竖直表面爬行？

假想1：可以实现，增大吸附面积，做成与人类同等尺寸的仿生机器人。

该方案不可行。通过对壁虎吸附面积和吸附失效的剪切应力进行研究发现，壁虎的吸附力随吸附面积的增大显著减小，如下图红线所示。如果只是简单扩大接触面积，将导致吸附应力更小，无法平衡人体自重。

吸附面积与吸附应力关系图

假想2：可以实现，保持原有吸附面积，并联多个吸附面共同吸附。

该方案不可行。简单的多级线弹性并联吸附，在接触粗糙表面时，凹陷处的吸附面的连接弹性体会被过度张紧，引起应力集中并储存弹性势能。一旦此处失效，将会引起附近出现应力集中，发生连锁的失效扩散，导致吸附失效。

分级并联系统

解决方案需从多个吸附面的加力方式和连接材料两方面考虑。

合成吸附系统是一个安装有24个吸附片的负载平板。与壁虎仿生机器人相同，对吸附片施加切向力会使其产生吸附力。吸附片通过海绵支撑与平板连接，使吸附片在平板晃动时也可保持原位。每个吸附片通过张紧绳和递减弹性单元与平板连接，形成差分连接。

使用合成吸附系统时，先将负载平板贴于竖直表面，之后人踩在刚性负载组件上。人的自重通过组负载组件和负重绳传至负载平板，负载平板通过差分连接将体重分散成各吸附片的切向力，使所有吸附片同时产生吸附力，平衡人体自重。

合成吸附系统结构图

其中，递减弹性单元的使用可以有效避免单个吸附片的应力集中和失效扩散。选用超弹镍钛合金（Superelastic Nitinol）作为递减弹性单元，包含高刚度和低刚度两个阶段。在低刚度阶段，递减弹性单元的大位移变形只会引起力的很小变化。通过调校，可使弹性单元最大受力略小于吸附片的最大切向力，以保障各吸附片产生吸附力的近似相等。

当单个吸附片发生裂纹失效时，其余吸附片的负载会增加。但是，负载不会增加至失效位置附近的吸附片上，而是会增加到尚未进入低刚度区的吸附片上。这样，不但没有发生应力集中和失效扩散，反而使负载平板的载荷分布更加平均。

递减弹性单元变形位移与受力关系图

最终，每个合成吸附系统包含24个吸附片，每个吸附片为边长25mm的正方形，吸附总面积140平方厘米。使用两套该系统，帮助一名体重70kg的男性6步爬上3.7米高的竖直玻璃墙，耗时90秒。

竖直墙壁攀爬

四、走出“攀爬区”：仿生结构的拓展应用

（一）“落地生根”：四旋翼无人机斜面停留装置

四旋翼无人机在航拍、植保、环境监测方面应用广泛，通常需要在水平面起降，在空中持续飞行。能否可以使其像壁虎一样在高空竖直墙面停留？这样就可以在起飞后选择适合的建筑外墙面进行停留，开展航拍、监测等任务，完成后再起飞返航，工作时间可远超电池续航时间。

答案是肯定的。将两块吸附片对称安装在平板上，定向聚合株指向相反的方向，中间用绳连接，用于加载。在平板接触表面时，通过中间的加载绳对吸附片施加切向力，使其发生吸附，吸附力的大小与吸附面积正相关。释放平板只需沿吸附片非切线方向加力，即可消除吸附力。借助该装置，一架0.55kg的四旋翼无人机成功停留在70°的倾斜表面，吸附力可达自重的40倍。

四旋翼无人机的斜面停留装置

（二）“出手不凡”：太空抓取装置

同样的吸附原理可以应用至太空环境的物体抓取，例如太空垃圾清理、卫星在轨维修等。太空抓取装置底部平行布置了8组吸附片，用于平面抓取；另外在装置外侧设计了四个用于曲面物体抓取的吸附片。

随后，逐步开展多项太空抓取应用验证：

• 在零重力飞机，使用抓取装置吸附平面和曲面物体（图A和B）；

• 在国际空间站，航天员验证单组吸附片的吸附力（图C）；

• 在NASA的JPL实验室，机器人使用抓取装置吸附漂浮物（图D）；

• 足底装有吸附片的四足Lemur机器人在无重力环境吸附太阳能帆板（图E）。

明年，抓取装置将随飞船进入国际空间站，开展实际应用验证。Cutkosky教授的研究团队会在太空环境的物体吸附、飞行器空中栖息、用于机器人攀爬的软体手、用于主从机器人感知的新型皮肤等方面继续开展深入研究。

太空抓取装置

五、Mark R. Cutkosky教授简介

Mark R. Cutkosky是美国斯坦福大学（Stanford University）机械工程学院教授（Fletcher Jones Professor），同时从事机器人和人机交互设备的企业咨询。研究方向包括：机器人操作与触觉感知、仿生机器人设计等。研究内容被美国《发现》、《纽约时报》、《国家地理》、《时代周刊》、PBS NOVA、CBS Evening News等多家知名杂志和媒体进行专题报道。壁虎仿生机器人研究被美国《时代周刊》评为2006年度最佳科技创新奖（Best Innovations）。

Mark R. Cutkosky教授

参考文献

[1] Alexis C. Noel and David L. Hu. The tongue as a gripper. Journal of Experimental Biology (2018)221: jeb176289.

[2] Kellar Autumn, A Dittmore, Daniel Santos, Matthew Spenko, and Mark R. Cutkosky. Frictional adhesion: A new angle on gecko attachment. The Journal of experimental biology, (2006)209: 3569-3579. 

[3] Sangbae Kim, Matthew Spenko, Salomon Trujillo, Barrett Heyneman, Daniel Santos, and Mark R. Cutkosky. Smooth vertical surface climbing with directional adhesion. IEEE Transactions on Robotics, (2008)24: 65-74.

[4] Elliot W. Hawkes, Eric V. Eason, David L. Christensen and Mark R. Cutkosky. Human climbing with efficiently scaled gecko-inspired dry adhesives. Journal of the Royal Society Interface, (2014)12: 20140675.

[5] Tae Wan Kim and Bharat Bhushan. Adhesion analysis of multi-level hierarchical attachment system contacting with a rough surface. Journal of Adhesion Science and Technology. (2007)21:1-20

[6] Elliot W. Hawkes, Hao Jiang and Mark R. Cutkosky. Three-dimensional dynamic surface grasping with dry adhesion. The International Journal of Robotics Research, (2016)35: 943-958.

[7] Hao Jiang, Elliot. W. Hawkes, Christine Fuller, Matthew A. Estrada, Srinivasan A. Suresh, Neil Abcouwer, Amy K. Han, Shiquan Wang, Christopher J. Ploch,Aaron Parness, Mark R. Cutkosky. A robotic device using gecko-inspired adhesives can grasp and manipulate large objects in microgravity. Science Robotics, (2017)2: eaan4545.

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