• 文章导读

自然界中粘附类动物 (如壁虎) 的敏捷运动主要归功于其复杂的多级结构足部和可逆的粘附运动能力。壁虎脚趾具有从微观到宏观尺度的精确多级结构 (铲状匙突—刚毛—皮瓣—趾)，这种结构与功能的平衡一直是生物粘附系统研究和仿生应用设计的核心。然而，在工程领域，如何开发出既能适应复杂表面又能实现快速可靠脱附的仿生粘附单元仍是一个挑战。来自南京大学航空航天大学的研究团队在Biomimetics 期刊上发表了题为 “Reversible Adhesive Bio-Toe with Hierarchical Structure Inspired by Gecko” 的文章，提出了一种新型多级结构仿生粘附脚趾 (Bio-toe)，为仿生机器人技术提供了新的思路。

• 研究过程与结果

1. 仿生设计与建模

研究人员模仿壁虎脚趾的卷曲/伸展行为，设计了一种由上层弹性致动器 (支撑/驱动层) 和下层仿生皮瓣 (粘附层) 组成的多级结构仿生趾 (图1)。

驱动层：采用流体驱动的弹性致动器，通过双向压力控制实现向上或向下的弯曲变形，模拟壁虎脚趾的运动图1 (b)。

图1. (a) 壁虎趾的可逆粘附行为；(b) 受壁虎启发的流体驱动弹性致动器作为仿生趾的支撑/驱动层，在正/负压力驱动下产生向上/向下的弯曲变形；(c) 弹性致动器的示意图；(d) 弯曲变形的数学模型示意图；(e) 弹性致动器在x轴和y轴上的应变-应力关系拟合函数；(f) 根据数学模型、仿真和实验结果得到的弹性致动器弯曲曲率与压力的关系

粘附层：这种仿生皮瓣表面附着有蘑菇状微结构粘附面。研究对比了方形、片状和弧形三种皮瓣设计，发现片状仿生皮瓣 (Tabular bio-lamella) 表现出最佳的接触适应性和鲁棒性 (图2)。

图2. (a) 壁虎趾部皮瓣的纵向冷冻切片和底部视图；(b) 三种仿壁虎趾部皮瓣：方形、片状和弧形；(c) 片状仿生皮瓣在三种接触模式 (垂直、沿皮瓣方向倾斜10°、逆皮瓣方向倾斜10°) 下与平面基底接触时的行为和力学特性的有限元模型；(d)、(e) 和 (f) 分别为方形、片状和弧形仿生皮瓣的接触力和接触面积随载荷距离变化的仿真结果

2. 弯曲变形与粘附性能测试

通过建立非线性变形数学模型和有限元分析 (FEA)，并结合物理实验验证，研究得出以下结论：

可控变形：仿生趾的弯曲曲率与压力呈近似线性关系图1 (f)，使其能够主动包覆并适应各种形状的目标物体；

高效接触：片状皮瓣在低于0.5 N 的低挤压接触力下即可达到60%的接触率，且在接触姿态倾斜 ± 10°的情况下仍能保持稳定的接触效果 (图2)，体现了类似壁虎皮瓣的“软弹簧”效应；

强力粘附实验显示，仿生趾的切向粘附力随压力增加呈先升后降趋势 (图3)，其切向粘附力与预紧力的比值可达约12，远高于传统的摩擦抓取单元，意味着它可以在不施加过度挤压力的前提下提起重物。

图3. (a) 粘附性能测试中四个仿生趾的法向预紧力Fpre 和 (b) 粘附接触面积Sad；(c) 剪切拉脱粘附性能测试中四个仿生趾的法向粘附力Fn_sp 和 (d) 剪切粘附力Fs_sp；(e) 法向拉脱粘附性能测试中四个仿生趾的法向粘附力Fn_sp 和 (f) 剪切粘附力Fs_sp

3. 快速脱附机制

可逆性是仿生粘附技术的关键。研究发现：

分级脱离：离散的仿生皮瓣能够阻止界面粘附失效裂纹的快速扩张，避免瞬时脱落，显著扩大了稳定的粘附空间 (图4)。

图4. (a) 仿生趾粘附性能测试流程；(b) 剪切粘附性能测试和 (c) 法向粘附性能测试中仿生趾的剪切力、法向力和接触面积随时间变化的典型曲线

主动脱附：在负压驱动下，仿生趾向背面快速弯曲，结合初始结构的弹性回弹力，实现了100%的成功脱附率 (图5和6)。

图5. (a) 仿生趾主动/被动释放性能测试流程；仿生趾在 (b) 主动释放测试和 (c) 被动释放测试期间的剪切力和法向力

图6. 四个仿生趾的主动和被动释放力

• 应用展示

研究团队将仿生趾作为基本粘附单元，成功应用于以下场景：

仿生机械手：由一对仿生趾组成的机械手不仅能抓取大尺寸的光滑半球 (直径达300 mm)，还能稳定抓取易碎的鸡蛋、柔软的零食袋以及无固定形状的水袋图7 (a) 和7 (b)，展示了极佳的抓取多样性和交互安全性；

爬壁机器人：装备有四个仿生粘附脚的四足机器人能够在失重环境下的光滑曲面上稳定爬行图7 (c)。仿生趾自主的可逆粘附/脱附能力极大简化了机器人的步态规划和腿部运动轨迹。

图7. 仿生趾的应用：(a) 机器人粘性夹爪；(b) 自动粘性抓取系统，以及 (c) 爬壁机器人

• 研究总结

本文系统地研究了壁虎脚趾的多级结构及其可逆粘附行为，并成功开发出一种集支撑、驱动与粘附功能于一体的仿生趾单元。主要贡献如下：

1. 验证了多级结构的优越性：证明了仿生皮瓣在增强接触适应性和粘附稳定性方面的关键作用；

2. 实现了高负载与低预紧的平衡：仿生趾能够在极小预紧力下产生高粘附力，适合处理脆弱和柔软物体；

3. 提供了工程化策略：为仿生粘附技术在空间探索、工业组装、智能农业以及国防救援等领域的应用提供了理论依据和技术支撑。

这种具有多级结构的仿生趾，就像是给机器人穿上了一双带有“壁虎魔力”的鞋子，让它能够在微重力的空间站捕捉目标，也能在果园里轻柔地摘下熟透的水果。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2075414

• Biomimetics 期刊介绍

主编：Stanislav N. Gorb, Kiel University, Germany

期刊致力于研究生物体的最基本方面及其特性向人类应用的转移。期刊旨在为材料科学、机械工程、纳米技术和生物医学领域的研究人员和专业人士提供一个平台，通过在工程系统、技术和生物医学中利用生物启发的设计，开发实现可持续创新的解决方案。

2025 Impact Factor：4.2

2025 CiteScore：6.2

Time to First Decision：13.5 Days

Acceptance to Publication：3.5 Days

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/biomimetics

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