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看爬山虎学本领 软爬机器人来创新 各种场景能适应

article 2026/2/4 17:00:48

*本文只做阅读笔记分享*

一、灵感来源：向植物取经

大家好！今天来聊一款超酷的软爬机器人，它的灵感来自会攀爬的植物——爬山虎。

大家都知道，爬墙高手爬山虎能在各种复杂墙面轻松生长攀爬，可现有的攀爬机器人在复杂表面作业时却困难重重。那能不能让机器人学学爬山虎呢？

研究人员就想到了这个超棒的点子，从爬山虎的生长攀爬特性里找到了灵感，发明了这款厉害的软爬机器人！

二、生长攀爬机制：步步为“营”

这款软爬机器人有个超厉害的生长攀爬机制，和爬山虎的原理很像哦！它的动力来源是气压，就像爬山虎靠细胞膨胀压力生长一样。

机器人在生长时，材料会像翻花一样向外翻，同时把营养物质（这里可以理解为机器人的“生长材料”）运到前端，实现身体的延伸。

而且，它还模仿了爬山虎的吸盘，在身体上装了微结构生物膜。这个生物膜就像一个个超小的吸盘，利用范德华力和负压效应紧紧吸附在物体表面，不管是光滑的玻璃，还是粗糙的墙面，它都能牢牢抓住，轻松攀爬。

为了让大家更清楚，研究人员还建立了物理模型呢。

从模型里能看出，压力越大，机器人长得越快；生物膜和物体表面的吸附力也有公式计算，这就解释了为啥它在不同表面都能稳稳吸附。

通过实验也能发现，生物膜在光滑表面的吸附应力能达到10kPa，在粗糙表面也有7kPa，摩擦力比吸附力还强，像在陶瓷表面，摩擦力能到26.2±3.2kPa，超强的吸附能力让机器人能抓起各种不同的东西。

不管是在复杂材料表面，像木头、陶瓷、金属，还是复杂结构的表面，比如格栅、管道、墙角，它都能如履平地，轻松攀爬。

三、生长弯曲机制：灵活转向

爬山虎在生长过程中能像铰链一样弯曲，而且弯曲的位置固定，不会影响后续生长。

软爬机器人也借鉴了这个特点！它的弯曲靠的是形状记忆合金（SMA）弹簧。当给SMA弹簧通电，因为热效应，弹簧会快速缩短，让机器人一侧产生褶皱，这一侧就会比另一侧短，机器人就弯曲啦。

而且，断电后弹簧的内力还在，能抵抗主气室的气压，让机器人保持弯曲状态一段时间。等温度降下来，弹簧又能拉伸。

实验测试发现，SMA弹簧可厉害啦，能拉伸到15cm，加热后回弹到1.5cm，变形量有13.5cm。当温度达到50°C，弹簧开始相变，68°C时就完全收缩。

在不同电压和气压下测试机器人的弯曲性能，结果显示，气压越小，弯曲角度越大，在4.2kPa、9V电压时，弯曲角度能达到80°；电压越大，弯曲角度也越大，弯曲时间还越短。在实际运动中，机器人能连续弯曲，还能进行复杂的3D生长，轻松到达目标位置。

四、收缩机制：任务完成，完美退场

一般的生长机器人收缩起来可难了，但咱这款软爬机器人有独特的收缩办法！它完成任务后，要收缩身体避免损坏场地。

收缩的原理就是让机器人的生长材料反向运动，就像把伸出去的部分拉回来。不过，在弯曲状态下收缩有点麻烦，因为内部材料的拉力不沿轴向，会产生径向力，可能让机器人弯曲变形。

为了解决这个问题，机器人利用了和墙面的吸附力。它身上的微结构生物膜产生的吸附力能抵消径向力，让机器人收缩时保持稳定。

实验中，弯曲的机器人收缩时，生物膜会像撕胶带一样从平面上剥离，然后机器人慢慢从墙上脱离。它不仅能在平面上收缩，在弯曲的窄管道里也能顺利完成收缩，是不是超厉害！

五、应用领域：大显身手

软爬机器人在实际生活中有超多厉害的应用！它装上摄像头模块，利用图像处理技术，就能进行实时路况分析和路径规划啦。

在遇到各种复杂环境，像有障碍物的地方，它能通过摄像头识别目标，然后根据指令左转、右转或者直走，就像有了“智慧大脑”一样。

而且，它还能利用生长产生的力量完成一些操作任务，比如关灯，只要碰到开关，就能轻松完成，是不是很有趣？

它还能和无人机合作呢！在一些像建筑工地这样的场景，有很多不连续的表面，传统机器人根本爬不上去。

但软爬机器人就能装在无人机上，无人机把它带到指定位置后，它就能从生长模块里伸出来，爬上脚手架，穿过狭窄缝隙，去探索目标。

无人机负责大范围移动，软爬机器人负责小范围侦察，它们配合得超默契，和其他攀爬机器人比起来，这款软爬机器人的攀爬适应性更广，特别是在不连续表面，优势特别明显。

六、一起来做做题吧

1、关于爬山虎的生长攀爬，下列说法正确的是（ ）

A. 爬山虎生长的驱动力是细胞渗透压

B. 其攀爬主要依靠茎的缠绕

C. 生长和攀爬过程中不需要营养物质运输

D. 爬山虎的吸盘有许多微结构来增强吸附

2、软爬机器人的生长攀爬机制中，驱动其生长的是（ ）

A. 细胞膨压

B. 气压

C. 液压

D. 电力

3、软爬机器人的微结构生物膜在吸附方面，以下说法错误的是（ ）

A. 吸附力会随使用次数增加而减弱

B. 可利用范德华力进行吸附

C. 能在多种表面产生足够吸附力

D. 吸附应力在光滑表面比粗糙表面高

4、软爬机器人实现弯曲的部件是（ ）

A. 液压杆

B. 形状记忆合金弹簧

C. 电动马达

D. 普通金属弹簧

5、在软爬机器人的收缩机制中，为防止收缩时机器人弯曲，需要满足的条件是（ ）

A. 轴向力大于径向力

B. 径向力大于吸附力

C. 径向力小于吸附力

D. 轴向力小于吸附力

参考文献：

Kecheng Qin et al. Parthenocissus-inspired soft climbing robots. Sci. Adv.11, eadt9284(2025).

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