壁虎的運(yùn)動(dòng)行為與動(dòng)力學(xué)研究：豎直面內(nèi)運(yùn)動(dòng)方向的影響

現(xiàn)代仿生學(xué)已經(jīng)延伸到很多領(lǐng)域，機(jī)器人學(xué)是其主要的結(jié)合和應(yīng)用領(lǐng)域之一.其中三維空間表面無障礙運(yùn)動(dòng)（TDOF：Three Dimensional-terrain Obstacle Free）的機(jī)器人，是當(dāng)今世界最重要的高科技之一，已成為衡量一個(gè)國(guó)家科技水平和綜合國(guó)力的重要標(biāo)志. 而且現(xiàn)代非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性、靈活性、健壯性、環(huán)境適應(yīng)性及能源利用效率等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于動(dòng)物.學(xué)者期望通過仿生的手段，根據(jù)已經(jīng)獲悉的具有TDOF能力動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)機(jī)制和規(guī)律，研制具有TDOF能力的仿生機(jī)器人. 然而對(duì)動(dòng)物運(yùn)動(dòng)過程中與運(yùn)動(dòng)表面間的運(yùn)動(dòng)力學(xué)規(guī)律以及運(yùn)動(dòng)行為的研究是TDOF仿生機(jī)器人研制的重要內(nèi)容，能夠給仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研制很大的啟示,可幫助理解動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性, 進(jìn)而為仿生機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、步態(tài)規(guī)劃和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和借鑒.

南京航空航天大學(xué)仿生結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)研究所戴振東教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)對(duì)大壁虎豎直面不同方向的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。其研究成果（《壁虎的運(yùn)動(dòng)行為與動(dòng)力學(xué)研究：豎直面內(nèi)運(yùn)動(dòng)方向的影響》一文）發(fā)表于《科學(xué)通報(bào)》2010年8月第23期（http://www.scichina.com:8080/kxtb/CN/volumn/current.shtml）上。

多年來，研究者從壁虎腳掌的表面結(jié)構(gòu)，粘附機(jī)理，粘附作用力等方面對(duì)壁虎的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究，并采用微模具注塑法、電子束蝕刻、碳納米管等方法人工仿制了壁虎腳趾剛毛陣列. 戴振東領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)大壁虎的運(yùn)動(dòng)，形態(tài)等方面做了近10年的研究，在此基礎(chǔ)上建立一套以三維毫牛級(jí)傳感器陣列為核心的動(dòng)物運(yùn)動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)行為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。并運(yùn)用此測(cè)試系統(tǒng)研究了壁虎在豎直面向上、向下和橫向的三個(gè)不同方向運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)行為和動(dòng)力學(xué). 結(jié)果表明大壁虎的運(yùn)動(dòng)速度隨步頻的提高而增加，但與腳掌的粘附時(shí)間與脫附時(shí)間無明顯相關(guān)性. 大壁虎各腳產(chǎn)生相應(yīng)的作用力以平衡重力和翻轉(zhuǎn)矩，并為運(yùn)動(dòng)提供必要的推力；位于身體質(zhì)心上方的腳掌在支撐身體、運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)等方面都起到關(guān)鍵作用；豎直面內(nèi)大壁虎在不同方向運(yùn)動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)行為和腳掌功能所發(fā)生的相應(yīng)改變，使得大壁虎能夠在豎直面上安全高效地自由運(yùn)動(dòng).

這項(xiàng)研究由國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、青年基金和國(guó)家高科技研究發(fā)展計(jì)劃聯(lián)合資助，采用新的測(cè)試方法所獲得的研究成果豐富了以往人們對(duì)大壁虎豎的研究，對(duì)TDOF機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、步態(tài)規(guī)劃和控制的選擇有所啟發(fā)和幫助，是近年來大壁虎研究的一個(gè)新突破，但研究人員表示，這項(xiàng)研究屬于一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，希望能為未來大壁虎各項(xiàng)研究工作的開展建立起一個(gè)新的科學(xué)平臺(tái)。