壁虎在垂直的不同材料表面的運(yùn)動(dòng)與附著行為研究

吉愛紅 顧 偉 汪中原 倪 勇 王周義 戴振東

南京航空航天大學(xué)，南京，210016

0 引言

在億萬年的生存與演變過程中，生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)機(jī)理和行為方式逐漸與其生存環(huán)境相適應(yīng)［1］。壁虎［2－3］、昆蟲［4］等能夠在各種崎嶇不平的表面或光滑的表面上自由爬行或附著。動(dòng)物在不同材質(zhì)表面的附著機(jī)制及運(yùn)動(dòng)行為的研究，對(duì)研制具有全空間自由運(yùn)動(dòng)能力的仿生機(jī)器人有重要意義［5－6］。

壁虎腳趾上長有數(shù)以百萬計(jì)的剛毛，在光滑壁面上，主要依靠腳趾剛毛與運(yùn)動(dòng)表面產(chǎn)生的黏附力附著于各種表面，其腳掌的黏附過程就是剛毛與運(yùn)動(dòng)表面黏附及脫附的過程。研究人員希望通過揭示壁虎的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和附著機(jī)制，為設(shè)計(jì)仿生爬壁機(jī)器人提供依據(jù)。Dellit［7］發(fā)現(xiàn)壁虎在不同的大氣壓力環(huán)境下以及在充滿正負(fù)相異電荷的空氣中都依然能夠保持出色的附著能力，因此排除了壁虎依靠真空吸附或靜電引力實(shí)現(xiàn)附著的假設(shè)。Simmermacher［8］對(duì)壁虎腳掌進(jìn)行解剖，沒有發(fā)現(xiàn)能夠分泌黏液的腺體，說明壁虎剛毛不像螞蟻那樣基于濕黏附機(jī)制形成附著能力。Autumn等［9－12］從壁虎的運(yùn)動(dòng)行為、運(yùn)動(dòng)力學(xué)以及壁虎腳掌的微觀結(jié)構(gòu)、附著機(jī)理、附著力等方面對(duì)壁虎進(jìn)行了細(xì)致的研究，測(cè)量了單根剛毛的黏附力，提出了壁虎附著基于范德華力作用的結(jié)論。Huber等［13］通過試驗(yàn)研究了在納米尺度上毛細(xì)力對(duì)壁虎剛毛的附著能力的貢獻(xiàn)。Puthoff等［14］從材料性能改變的角度解釋了濕度對(duì)壁虎剛毛黏附力的影響。而Zaaf等［15］發(fā)現(xiàn)一種適應(yīng)于地面生活的壁虎（eublephairs macularius）優(yōu)先通過改變步距改變速度。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)壁虎運(yùn)動(dòng)力學(xué)、附著機(jī)制開展了大量的研究，但對(duì)壁虎在不同材料表面上的運(yùn)動(dòng)以及壁虎腳掌附著能力與材料之間的相關(guān)性研究尚未見報(bào)道。Hiller［16－18］和 Autumn等［19］發(fā)現(xiàn)壁虎的黏附性能在某種程度上由表面能決定，但并不清楚是何種關(guān)系。本文測(cè)量了壁虎在不同材料的垂直表面上運(yùn)動(dòng)時(shí)的三維接觸反力，并同步記錄了其運(yùn)動(dòng)步態(tài)信息，分析討論了其附著機(jī)制。研究結(jié)果為仿壁虎機(jī)器人的設(shè)計(jì)與控制提供了仿生依據(jù)。

1 試驗(yàn)對(duì)象與方法

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)動(dòng)物為大壁虎（gekko gecko）［20］，俗名蛤蚧，購于廣西壯族自治區(qū)貴港市真真蛤蚧養(yǎng)殖場(chǎng)。為保持大壁虎的活性，實(shí)驗(yàn)室專門建有可模擬大壁虎在廣西野外生存環(huán)境的壁虎養(yǎng)殖室，具備自然光照條件，環(huán)境溫度常年為27±2℃，濕度為70%～80%。大壁虎用水、葡萄糖和蝗蟲等喂食。試驗(yàn)用大壁虎共7只，每只質(zhì)量為62.9±8.1g，體長為136.0±10.0mm。在養(yǎng)殖室內(nèi)放置可模擬試驗(yàn)裝置的通道，以訓(xùn)練壁虎使其適應(yīng)試驗(yàn)裝置通道爬行。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1動(dòng)物運(yùn)動(dòng)反力與行為測(cè)試

大壁虎試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。壁虎在垂直的不同材料表面的三維運(yùn)動(dòng)反力與行為測(cè)試用本實(shí)驗(yàn)室自主研制的動(dòng)物全空間運(yùn)動(dòng)反力－行為測(cè)試系統(tǒng)（專利號(hào)：ZL200810156169.0）［21－22］。系統(tǒng)包括測(cè)力平臺(tái)、信號(hào)調(diào)理與數(shù)據(jù)采集設(shè)備（SCXI系列，NI公司，美國）、高速攝像機(jī)（Mikrotron，MC1311，德國）和一套在Labview（NI公司，美國）環(huán)境下開發(fā)的可進(jìn)行力學(xué)與圖像數(shù)據(jù)采集、分析與測(cè)試的軟件（圖1a）。四只mN級(jí)三維力傳感器［23］（圖1b）支撐承力板形成測(cè)力平臺(tái)。根據(jù)試驗(yàn)要求，承力板材料可更換為玻璃、有機(jī)玻璃、鋁、不銹鋼等。承力板嵌入兩端開口的透明的亞克力材料通道內(nèi)，并與通道底面共面，形成壁虎爬行試驗(yàn)通道，使壁虎在通道內(nèi)保持近似直線運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)通道兩側(cè)安裝有與承力表面成45°夾角的鏡子，高速攝像機(jī)（215幀／秒）從試驗(yàn)通道的正上方可以同時(shí)記錄通道內(nèi)及兩側(cè)鏡子內(nèi)壁虎的運(yùn)動(dòng)行為，從而得到壁虎的三維運(yùn)動(dòng)行為。壁虎在垂直通道中向上爬行時(shí)，前足先踩上承力表面，接著整個(gè)身體通過承力表面，直至后足完全離開。由動(dòng)物全空間運(yùn)動(dòng)反力－行為測(cè)試系統(tǒng)可得到前足的單足接觸反力、整體接觸反力和后足的單足接觸反力。4只三維力傳感器共12個(gè)通道的力信號(hào)采集與高速攝像機(jī)的圖像記錄通過外部觸發(fā)信號(hào)實(shí)現(xiàn)同步。

圖1 大壁虎試驗(yàn)系統(tǒng)圖

1.2.2材料表面粗糙度與接觸角測(cè)量

用表面粗糙度輪廓儀（JB－5C，上海泰明光學(xué)儀器有限公司）測(cè)出玻璃、有機(jī)玻璃、鋁和不銹鋼等材料表面的粗糙度。用光學(xué)接觸角儀（CAM200系列，KSV儀器公司，芬蘭）測(cè)出各個(gè)表面和壁虎剛毛的接觸角，用兩液法計(jì)算得到玻璃、有機(jī)玻璃、鋁、不銹鋼和壁虎腳趾剛毛的表面能（表1）。

表1 不同材料的表面參數(shù)

1.2.3數(shù)據(jù)提取與分析

在記錄的高速圖像中，用定點(diǎn)坐標(biāo)獲取軟件（Sigma Scan Pro，SPSS公司，美國）確定壁虎頸部前椎點(diǎn)（圖1c）的坐標(biāo)，由前椎點(diǎn)在多幅連續(xù)圖像中移動(dòng)的距離除以相應(yīng)幀數(shù)圖像對(duì)應(yīng)的時(shí)間可以計(jì)算出壁虎在爬行過程中的速度。為便于試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)與分析，將壁虎的四足分別定義為L1（左前足）、L2（左后足）、R1（右前足）和 R2（右后足）（圖1c）。根據(jù)高速攝像獲取的圖片信息，判定壁虎身體與承力表面的相對(duì)位置，讀取壁虎腳掌與承力表面之間的接觸情況，并截取各傳感器所測(cè)得的力數(shù)據(jù)，從而獲得壁虎運(yùn)動(dòng)反力在3個(gè)方向上的分量（法向力FN，軸向力FF，側(cè)向力FL）。

試驗(yàn)過程中，壁虎的體重、身體活性狀態(tài)以及環(huán)境因素等，都會(huì)對(duì)壁虎的運(yùn)動(dòng)反力與運(yùn)動(dòng)行為產(chǎn)生影響。因此，由大量試驗(yàn)得到的壁虎運(yùn)動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)行為數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析必須通過統(tǒng)計(jì)學(xué)工具進(jìn)行。我們對(duì)不同試驗(yàn)組試驗(yàn)結(jié)果的差異性采用t檢驗(yàn)的方法進(jìn)行檢驗(yàn)。當(dāng)概率P＞0.05時(shí)，反映了這兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間沒有顯著性差異，反之則存在著差異；對(duì)于兩組或多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的線性回歸分析則采用方差分析（ANOVA）檢驗(yàn)其相關(guān)性，當(dāng)概率P＜0.05時(shí)，說明線性相關(guān)性顯著，反之則認(rèn)為沒有顯著相關(guān)性。本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)中給出的統(tǒng)計(jì)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 運(yùn)動(dòng)步態(tài)

壁虎在垂直的玻璃、有機(jī)玻璃、鋁表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，L1與R2，R1與L2的步態(tài)基本一致，壁虎的身體具有左右對(duì)稱性，將左右腿的試驗(yàn)參數(shù)結(jié)果（步距、步頻和占空比等）作統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，結(jié)果表明左右兩側(cè)對(duì)應(yīng)腿的各參數(shù)無顯著差異性。因此，本文對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析時(shí)將左前腿與右前腿、左后腿與右后腿的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行合并分析，得到了壁虎在不同材料的垂直表面上的速度、步頻、步距、占空比等步態(tài)參數(shù)（表2）。

表2 壁虎在垂直的不同材料表面的運(yùn)動(dòng)步態(tài)參數(shù)

壁虎一個(gè)步態(tài)周期可分為兩個(gè)相位，即支撐相和擺動(dòng)相。支撐相指壁虎各腳掌接觸壁面的時(shí)間，擺動(dòng)相指壁虎腳掌離開壁面向前（上）邁步到再次落地之間的時(shí)間。根據(jù)壁虎腳掌與壁面接觸狀態(tài)，支撐相又分為三個(gè)階段：首先是腳掌掌心與承力板接觸，將腳趾伸直后內(nèi)收使其貼附到承力板上以產(chǎn)生黏附力，即黏附階段；接著腳掌進(jìn)入與承力板完全接觸的狀態(tài)，即附著階段；此后壁虎腳趾向外展開離開承力板，即脫附階段。壁虎在一個(gè)周期中支撐相（黏附、附著、脫附）與擺動(dòng)相占整個(gè)周期的百分比見表3。

表3 壁虎在垂直的不同材料表面的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)占空比分析 %

2.1.1玻璃表面

壁虎在垂直的玻璃表面向上爬行（圖2）時(shí)，速度為（0.566±0.107）m／s，步頻為（3.836±0.667）Hz，步頻與速度有顯著相關(guān)性（ANVOA，線性度R2＝0.875，P＝0.000＜0.05，判定臨界值F＝76.86，數(shù)據(jù)自由度df＝12）。步距為（0.147±0.009）m，步距與速度亦有顯著相關(guān)性（ANVOA，R2＝0.480，P＝0.009＜0.05，F(xiàn)＝10.14，df＝12），腳掌占空比為0.517±0.035，占空比與速度同樣也有顯著相關(guān)性（ANVOA，R2＝0.082，P＝0.002＜0.05，F(xiàn)＝15.29，df＝12）。

在一個(gè)周期中，腳掌黏附時(shí)間為（25.4±0.49）ms，占整個(gè)周期的（9.4±1.9）%；腳掌附著時(shí)間為（45.9±1.62）ms，占整個(gè)周期的（17.1±3.5）%；腳掌脫附時(shí)間為（67.8±1.66）ms，占整個(gè)周期的（25.2±2.4）%；腳掌在空中的擺動(dòng)時(shí)間為（130.2±4.49）ms，占 整 個(gè) 周 期 的 （48.3±3.5）%。

2.1.2有機(jī)玻璃表面

壁虎在垂直的有機(jī)玻璃表面向上爬行時(shí)速度為（0.470±0.046）m／s，步頻為（3.131±0.340）Hz，步頻與速度有顯著相關(guān)性（ANVOA，R2＝0.360，P＝0.016＜0.05，F(xiàn)＝3.379，df＝7），步距為（0.151±0.017）m，步距與速度無顯著的相關(guān)性（ANVOA，R2＝0.302，P＝0.150，df＞0.05，F(xiàn)＝2.595，df＝7），腳掌占空比為0.548±0.017，占空比與速度有顯著相關(guān)性（ANVOA，R2＝0.066，P＝0.049＜0.05，F(xiàn)＝0.425，df＝7）。

在一個(gè)周期中，腳掌黏附時(shí)間為（17.6±0.44）ms，占整個(gè)周期的（8.4±2.4）%；腳掌附著時(shí)間為（45.2±1.31）ms，占整個(gè)周期的（22.3±2.9）%；腳掌脫附時(shí)間為（48.9±1.25）ms，占整個(gè)周期的（24.1±2.6）%；腳掌在空中的擺動(dòng)時(shí)間為 （91.7±1.57）ms，占 整 個(gè) 周 期 的 （45.2±1.7）%。

2.1.3鋁表面

壁虎在垂直的鋁表面向上爬行時(shí)速度為（0.227±0.063）m／s，步頻為（1.797±0.354）Hz，步頻與速度有顯著相關(guān)性（ANVOA，R2＝0.926，P＝0.000＜0.05，F(xiàn)＝74.65，df＝8），步距為（0.125±0.011）m，步距與速度亦有顯著相關(guān)性（ANVOA，R2＝0.640，P＝0.017＜0.05，F(xiàn)＝10.672，df＝8），腳掌占空比為0.641±0.012，占空比與速度同樣也有顯著相關(guān)性（ANVOA，R2＝0.293，P＝0.046＜0.05，F(xiàn)＝2.484，df＝8）。

在一個(gè)周期中，腳掌黏附時(shí)間為（46.3±1.01）ms，占整個(gè)周期的（8.1±2.2）%；腳掌附著時(shí)間為（193.1±6.54）ms，占整個(gè)周期的（33.7±3.4）%；腳掌脫附時(shí)間為（129.3±9.91）ms，占整個(gè)周期的（22.6±7.7）%；腳掌在空中的擺動(dòng)時(shí)間為（205.8±25.2）ms，占 整個(gè) 周 期 的 （35.6±12.2）%。

2.1.4不銹鋼表面

將壁虎放在垂直的不銹鋼壁面上，壁虎會(huì)直接掉落到地面。因此壁虎不能附著在垂直的不銹鋼表面，更不能在不銹鋼壁面上向上自如爬行。

2.2 接觸反力

2.2.1整體接觸反力

在垂直的玻璃、有機(jī)玻璃和鋁這三種材料表面上，壁虎向上爬行時(shí)不但要抵消身體的重力，還要推動(dòng)身體向上前進(jìn)，軸向力FF始終保持為前進(jìn)方向。因?yàn)橐粋€(gè)周期內(nèi)壁虎的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)加減速運(yùn)動(dòng)過程［12］，所以軸向力FF大小在體重上下波動(dòng)。壁虎的運(yùn)動(dòng)也是支撐相和擺動(dòng)相交替轉(zhuǎn)換的過程，與承力板垂直的法向力FN以及與運(yùn)動(dòng)方向垂直的側(cè)向力FL也隨之發(fā)生方向上的交替變化（圖2），即正負(fù)值波動(dòng)變化。由試驗(yàn)結(jié)果（表4）可知，壁虎在玻璃、有機(jī)玻璃和鋁表面上向上爬行時(shí)的三維運(yùn)動(dòng)反力分量即軸向力FF、法向力FN和側(cè)向力FL的最大值都依次減小。從而可以得到壁虎在垂直的不同材料表面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，在玻璃表面上的運(yùn)動(dòng)反力最大，在鋁表面上的運(yùn)動(dòng)反力最小。

表4 壁虎在垂直的不同材料表面整體接觸反力占體重的百分比 %

2.2.2單足接觸反力

如前所述，采用對(duì)角運(yùn)動(dòng)步態(tài)的壁虎在垂直的通道內(nèi)爬行時(shí)，在進(jìn)入承力板的初始階段，一只前腳掌與承力板接觸；在身體離開承力板的最后階段，一只后腳掌與承力板接觸。由動(dòng)物全空間運(yùn)動(dòng)反力－行為測(cè)試系統(tǒng)可以測(cè)試單只腳掌與承力板接觸時(shí)的三維接觸反力（圖3）。由試驗(yàn)結(jié)果可知，與整體接觸反力不同，在玻璃、有機(jī)玻璃和鋁表面上，壁虎的單足軸向力FF、法向力FN和側(cè)向力FL的大小和方向都沒有明顯差異。

圖3 大壁虎單只腳掌與承力板間的接觸反力

前腿和后腿的軸向力方向都始終為壁虎向上運(yùn)動(dòng)的方向。在一個(gè)對(duì)角步態(tài)周期中，軸向力大部分時(shí)間都小于自身的體重。但一條前腿和一條后腿（如左前腿和右后腿）的軸向力合力大小在體重值附近呈周期性上下波動(dòng)，這與測(cè)得的整體接觸反力的軸向力分量結(jié)果一致。前腿對(duì)承力板的法向力指向壁虎身體，即前腿產(chǎn)生的黏附力使身體附著在垂直表面；后腿對(duì)承力板的法向作用力的方向則與前腿相反，與承力板之間產(chǎn)生了推力。壁虎單腿對(duì)承力板的側(cè)向力的方向始終垂直于運(yùn)動(dòng)軸向并指向身體。側(cè)向力的最大值出現(xiàn)在支撐相的附著階段。在側(cè)向力的作用下，壁虎的身體盡可能地橫向伸展并貼附垂直的運(yùn)動(dòng)表面。

3 討論

3.1 運(yùn)動(dòng)步態(tài)

試驗(yàn)結(jié)果表明，壁虎在垂直的不同材料表面向上爬行時(shí)，采用對(duì)角步態(tài)以較快的速度運(yùn)動(dòng)。以一側(cè)的前腿與另一側(cè)的后腿形成一組，兩組的運(yùn)動(dòng)相互交替實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)相與支撐相的連續(xù)快速更替。

在玻璃、有機(jī)玻璃和鋁表面上，壁虎均能保持穩(wěn)定的連續(xù)爬行；在不銹鋼表面不能附著，也不能向上爬行，直接從垂直的不銹鋼表面下滑甚至掉落地面。在玻璃、有機(jī)玻璃和鋁表面上的平均速度依次減小。在玻璃上爬行的平均速度是鋁表面爬行平均速度的兩倍。

在玻璃和鋁表面，速度與步頻和步距都有顯著相關(guān)性，說明在玻璃和鋁表面，爬行速度隨著步頻和步距的同時(shí)增大而提高，即壁虎通過同時(shí)增大步距和提高步頻來相應(yīng)提高向上爬行的速度。在有機(jī)玻璃表面，速度與步頻有顯著相關(guān)性，與步距無相關(guān)性，說明速度隨著步頻增加而提高，即壁虎通過加快運(yùn)動(dòng)頻率提高向上爬行的速度。

壁虎在垂直的三種材料表面向上爬行時(shí)的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)占空比均大于0.5，充分保證了運(yùn)動(dòng)時(shí)的可靠附著與穩(wěn)定性。在玻璃、有機(jī)玻璃和鋁表面上，壁虎一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的占空比依次增大，即在相應(yīng)表面上處于支撐相的時(shí)間依次增加。在三種表面上，速度與占空比都存在顯著相關(guān)性，且速度和占空比隨著周期內(nèi)在空中的擺動(dòng)時(shí)間的增加而提高。在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)處于支撐相的三個(gè)階段，鋁表面在附著階段花費(fèi)的時(shí)間最長，玻璃表面花費(fèi)的時(shí)間最短。從運(yùn)動(dòng)與附著的安全性角度來分析，壁虎在玻璃表面上運(yùn)動(dòng)時(shí)最安全，與鋁表面相比，不需要花費(fèi)較多的時(shí)間用于附著。可以認(rèn)為，在玻璃、有機(jī)玻璃、鋁以及不能運(yùn)動(dòng)與附著的不銹鋼表面，壁虎運(yùn)動(dòng)的安全與穩(wěn)定性依次降低。

因此，壁虎在垂直的不同材料表面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，隨著運(yùn)動(dòng)表面材料的不同，壁虎的運(yùn)動(dòng)步態(tài)會(huì)發(fā)生明顯的變化。在相對(duì)安全的表面，壁虎運(yùn)動(dòng)較快，通過增大步距或提高步頻來提高速度。在附著性能較弱的表面，壁虎會(huì)降低爬行速度以保證運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定與安全。步距明顯減小的同時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)的邁步頻率也顯著降低。在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，壁虎還會(huì)增大占空比，在支撐相的三個(gè)階段顯著增大附著時(shí)間，縮短黏附、脫附時(shí)間以及腿在空中的擺動(dòng)時(shí)間，提高在附著性能較弱表面上運(yùn)動(dòng)與附著的安全性和穩(wěn)定性。

3.2 運(yùn)動(dòng)力學(xué)

如前所述，試驗(yàn)測(cè)得壁虎在玻璃、有機(jī)玻璃和鋁表面上向上爬行時(shí)的三維運(yùn)動(dòng)反力分量即軸向力FF、法向力FN和側(cè)向力FL的最大值都依次減小，因此壁虎在玻璃、有機(jī)玻璃和鋁表面上向上爬行時(shí)的運(yùn)動(dòng)反力也依次減小，壁虎在三種材料上的運(yùn)動(dòng)速度也依次減小，由此可知壁虎在附著安全性較高的表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，消耗功率較大。但是由于壁虎在三種表面上的運(yùn)動(dòng)周期依次增大，所以在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，經(jīng)計(jì)算可知，壁虎在不同的材料表面運(yùn)動(dòng)時(shí)做功基本相等。在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，壁虎的運(yùn)動(dòng)是減速和加速的交替變換過程，而在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，壁虎的運(yùn)動(dòng)則是近似勻速向上的直線運(yùn)動(dòng)。因此壁虎的做功主要用于壁虎向上運(yùn)動(dòng)時(shí)勢(shì)能的增加（圖2e）。

3.2.1軸向力

壁虎向上爬行時(shí)的軸向力作為運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，始終與重力方向相反。軸向力的大小在重力上下波動(dòng)。軸向力與重力的合力為正時(shí)，壁虎加速向上爬行；經(jīng)過半個(gè)周期后，軸向力與重力的合力變?yōu)樨?fù)值，壁虎減速運(yùn)動(dòng)。

3.2.2法向力

整體法向接觸反力在壁虎運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生方向上的交替變化。壁虎的腳掌離開壁面時(shí)，腳掌上的剛毛與壁面間產(chǎn)生脫附行為，法向力為正；壁虎腳掌接觸到壁面，腳掌剛毛與壁面間產(chǎn)生黏附行為，法向力為負(fù)值。向上爬行時(shí)近似勻速運(yùn)動(dòng)的壁虎所受的摩擦力大致與體重相當(dāng)，由摩擦力、法向力和剛毛與壁面間的摩擦因數(shù)關(guān)系可知，正負(fù)法向力的最大值基本相等（圖2c）。壁虎通過前腿產(chǎn)生的黏附力使身體附著在垂直表面，而后腿法向力方向與前腿的相反。以前腿與壁面接觸點(diǎn)為支點(diǎn)，由后腿法向力產(chǎn)生的力矩可以平衡壁虎身體重心偏離壁面所產(chǎn)生的傾覆力矩。

3.2.3側(cè)向力

壁虎作為四足匍匐動(dòng)物，在向上爬行過程中，在方向交替變化的側(cè)向力的作用下身體發(fā)生柔性彎曲，質(zhì)心橫向左右擺動(dòng)，在對(duì)角步態(tài)下的身體質(zhì)心始終保持在前后對(duì)側(cè)兩條支撐腿連成的對(duì)角線附近，從而保持運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。這與身體軀干呈剛性的六足昆蟲或八足蜘蛛不同，六足或八足動(dòng)物多采用三角步態(tài)［24］，其質(zhì)心始終位于由三條支撐腿或更多腿組成的三角形內(nèi)以保持運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。壁虎在垂直壁面上運(yùn)動(dòng)時(shí)各條腿受到的側(cè)向力使身體橫向伸展而盡可能地貼附在垂直壁面上。作為匍匐動(dòng)物，壁虎在垂直壁面上運(yùn)動(dòng)時(shí)的各條腿上的側(cè)向力可以保持運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性。

3.3 附著機(jī)制

由壁虎在垂直的不同材料表面運(yùn)動(dòng)行為與運(yùn)動(dòng)反力的試驗(yàn)結(jié)果分析可知，在玻璃、有機(jī)玻璃、鋁和不銹鋼表面，壁虎的運(yùn)動(dòng)與附著能力依次降低。壁虎腳掌剛毛約2～10μm 寬，100μm 長［13］，剛毛的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于各材料的表面粗糙度（表1），因此不能從粗糙度的角度來分析壁虎在不同材料表面上的附著性能。而且壁虎也不可能通過腳爪的機(jī)械鎖合黏附來實(shí)現(xiàn)附著。壁虎剛毛的接觸角為146.25°，表現(xiàn)為強(qiáng)疏水性，因此也不可能通過毛細(xì)力作用實(shí)現(xiàn)黏附。進(jìn)一步驗(yàn)證了Autumn提出的壁虎腳掌剛毛基于范德華力作用實(shí)現(xiàn)黏附的結(jié)論。由表1可知，玻璃、有機(jī)玻璃、鋁和不銹鋼的表面能依次降低，由此可知，壁虎在垂直表面的運(yùn)動(dòng)與附著能力與材料的表面能有關(guān)，隨著接觸面材料表面能的增大而提高。

4 結(jié)語

大壁虎在垂直表面上爬行以對(duì)角步態(tài)為主，主要通過提高步頻來提高速度。這與通過改變步距而改變速度的適應(yīng)于地面生活的壁虎（eublephairs macularius）不同。這是不同屬的壁虎分別對(duì)地面和壁面生活長期進(jìn)化適應(yīng)的結(jié)果。

壁虎在垂直的玻璃、有機(jī)玻璃、鋁和不銹鋼表面的運(yùn)動(dòng)與附著能力依次降低。壁虎腳掌剛毛附著基于范德華力作用機(jī)制。壁虎在垂直表面的運(yùn)動(dòng)與附著能力隨著接觸面材料的表面能的增大而提高。

上述研究可對(duì)基于仿剛毛陣列黏附的仿生爬壁機(jī)器人腳掌黏附能力提升及其與接觸材料表面適應(yīng)性的設(shè)計(jì)，提供參考依據(jù)。

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