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南京航空航天大学CEJ:仿壁虎“感知足”,让爬壁机器人拥有“触觉智慧”

2026-05-09 14:24:41

在自然界中，壁虎凭借脚趾上的分级刚毛与敏锐的触觉感知，能在垂直、倒置甚至粗糙表面上灵活穿梭，即便面对复杂环境也能精准调整附着力，从容应对各类突发状况。这种“感知-响应”的天然优势，长期以来都是仿生机器人领域追求的目标——如何让仿生爬壁机器人摆脱“盲目粘附”的局限，真正拥有“触觉感知”能力？

近日，受壁虎脚趾触觉感知启发，南京航空航天大学吉爱红研究员、王林锋、俞志伟副研究员团队研发出一种新型多模态柔性触觉传感器（MFTS），并将其无缝集成于仿壁虎机器人足部，成功让机器人实现对粘附状态、表面特征、外部载荷等多维度信息的实时感知，为仿生爬壁机器人的智能化升级提供了全新解决方案。相关研究以“Gecko-inspired sensorized foot enables versatile contact-adhesion perception”为题，发表在Chemical Engineering Journal上。

仿生灵感：复刻壁虎脚趾的“感知密码”

壁虎之所以能实现高效粘附与灵活移动，核心在于其脚趾表皮下分布的多种机械感受器——它们如同“天然传感器”，能实时捕捉接触力、表面纹理、脱离动态等关键信息，通过“触摸-感知-驱动”的闭环机制，精准调控附着力。此前，仿生爬壁机器人虽能模仿壁虎的粘附结构，却因缺乏高效的感知系统，难以应对复杂动态环境，适应性和灵活性大打折扣。

针对这一痛点，受壁虎脚趾启发，研究团队设计出集成摩擦电（TrS）、压阻（PrS）和压电（PeS）三种感知机制的MFTS传感器。其中，TrS负责捕捉动态接触-脱离过程，PrS感知准静态力与粘附演化，PeS识别滑动振动与表面粗糙度，三者协同工作，完美复刻了壁虎脚趾的多维度感知能力，让仿壁虎机器人“足端”拥有了媲美生物壁虎的“触觉灵敏度”。

图1 仿壁虎足端MFTS触觉传感器设计、工作原理与应用

核心突破：多模态感知，解锁仿壁虎机器人“感知新技能”

与传统单一功能传感器不同，这款集成于仿壁虎机器人足部的MFTS传感器，实现了“一站式”多信息感知，其核心优势体现在三大维度：

一是精准感知粘附状态：传感器能清晰捕捉机器人脚趾的接触、牵拉、脱离全过程，通过特征信号精准判断粘附是否稳定，甚至能预测当前附着力大小，为机器人调整动作提供实时反馈，避免“脱附坠落”风险。实验显示，传感器对接触力的感知精度极高，能在低接触压力下精准识别粘附状态的细微变化。

图2 单仿壁虎脚趾上MFTS触觉感知。(A,B,E,F,M)仿壁虎脚趾接触及撕脱(peel-off)过程的状态、接触力、撕脱力感知。(C,D,H,I,O)仿壁虎脚趾接触及拉脱(pull-off)过程的状态、接触力、撕脱力感知。(K,L)对表面粗糙度的感知。

图3 仿壁虎足端对接触粘附状态感知及粘附力的预测

二是智能识别环境特征：无论是不同材质（铝、ITO、PMMA等）的表面，还是不同粗糙度的砂纸，传感器都能通过特征信号差异快速区分；甚至能感知表面凸起、边缘、曲率等复杂结构，以及表面材质的切换，让机器人在非结构化环境中也能灵活适配。

图4 仿壁虎足端MFTS触觉传感器阵列实现多种表面特征感知。(A,B,C)对表面凸起、凸起分布、高度等特征的感知。(D,E)对表面边缘、不同粗糙度表面过渡的感知。(F,G,H,I)对表面曲率及足端与表面接触状态的感知

三是实时响应外部载荷：传感器能精准感知静态切向载荷、瞬时冲击力以及环境振动的频率，不仅能判断载荷的大小与方向，还能通过振动信号诊断接触设备的运行状态，为机器人应对突发干扰、完成复杂任务提供保障。

图5 对外部载荷和振动的感知。(A-L)足端对外部静态作用力大小、三维方向的感知。(M-O)足端对外部瞬态冲击力的感知。(P-U)足端对不同方向振动频率的感知。

场景验证：模拟微重力下的“实战表现”

为验证传感器的实战能力，研究团队将其集成于仿壁虎机器人，在模拟微重力下开展了一系列测试，展现出卓越的感知能力：

在机器人行走过程中，传感器能清晰捕捉三角步态的每一个动作，精准区分脚趾的接触、脱离、前进三个阶段，实时监测粘附状态；当机器人未实现有效粘附时，传感器会立即输出微弱信号，可用于提醒机器人调整动作；在表面材质切换（如从ITO到铝表面）时，传感器能通过信号突变精准识别过渡过程，助力机器人平稳适应新环境。更值得关注的是，传感器还能感知微陨石撞击等瞬时冲击，并通过信号强度定位撞击位置，这一特性让该机器人在航空航天领域具备巨大应用潜力——未来可用于空间站、卫星等设备的表面检测与维护，在微重力环境下实现稳定移动与精准作业。