運(yùn)動(dòng)是動(dòng)物的基本特征，運(yùn)動(dòng)首先要感知環(huán)境，包括周圍環(huán)境和身體內(nèi)部環(huán)境。感知到的信息傳輸?shù)酱竽X進(jìn)行多信息融合、決策，決策以后形成運(yùn)動(dòng)指令，肌肉聽(tīng)從指令收縮，使得肢體和外界相互作用，動(dòng)物在相互作用中，從外界獲得運(yùn)動(dòng)反力。
我們已經(jīng)看到很多成功仿生的案例，最成功的就是飛機(jī)，現(xiàn)在飛機(jī)可以比任何一個(gè)鳥(niǎo)飛的更高、更遠(yuǎn)、更快，但是沒(méi)有哪個(gè)飛機(jī)飛的像鳥(niǎo)那樣安全，所以還是有很多值得向鳥(niǎo)學(xué)習(xí)的地方。
我們主要研究的是動(dòng)物的黏附以及運(yùn)動(dòng)。動(dòng)物生活在弱肉強(qiáng)食的環(huán)境里，很多昆蟲(chóng)為了避免被鳥(niǎo)吃掉，就會(huì)躲到樹(shù)葉底下，在這種情況下就必須要形成黏附力。其中深色的部分是黏附的部分，它的分布、大小完全不同，但是都能夠?qū)崿F(xiàn)黏附的功能。動(dòng)物黏附結(jié)構(gòu)的多樣性給我們的啟示是實(shí)現(xiàn)同樣一個(gè)功能，可以有不同的結(jié)構(gòu)。
我們的研究側(cè)重在壁虎方面，生物的發(fā)展給我們的啟示是結(jié)構(gòu)決定性能。左上角是一個(gè)水黽，這個(gè)小家伙曾經(jīng)啟發(fā)科學(xué)家發(fā)表了4篇Nature和Science論文，后來(lái)發(fā)現(xiàn)它的實(shí)質(zhì)是固體和液體之間界面相互作用的調(diào)控問(wèn)題，而這個(gè)水黽為什么能調(diào)控好呢，得益于它的腿上有非常細(xì)小的毛，毛上還有更加小的納米微結(jié)構(gòu)。右上角是壁虎腳的結(jié)構(gòu)，它是一個(gè)固固相互作用的界面，通常一個(gè)固體推著另一個(gè)固體，兩者之間會(huì)產(chǎn)生排斥力，但是壁虎給我們打開(kāi)了另外一個(gè)完全不同的窗戶，兩個(gè)固體之間可以產(chǎn)生相互吸引的力，這個(gè)是它神奇的地方，而使它能夠?qū)崿F(xiàn)神奇功能的核心是納米結(jié)構(gòu)，就是它的剛毛。
壁虎生活在喀斯特地貌的山包上，黃圈的地方有很小的縫隙，壁虎喜歡呆在那里面，因?yàn)槟莻€(gè)里面比較陡峭，蛇很難上去。這只壁虎剛剛從其中的一個(gè)蛋里面孵化出來(lái)，目前為止我們還沒(méi)有搞清楚，這么小的一個(gè)蛋，那么大一個(gè)壁虎，是怎么蜷縮在里面的，這個(gè)留給大家未來(lái)探索。
結(jié)構(gòu)和功能之間到底是什么樣的關(guān)系？剛開(kāi)始的時(shí)候，做不出來(lái)像壁虎的毛一樣好的毛。左邊的圖把同樣好的是壁虎毛進(jìn)行不同程度的破壞，看看它的黏附力有什么變化。這個(gè)實(shí)驗(yàn)告訴我們結(jié)構(gòu)非常重要，如果損壞程度較大，幾乎沒(méi)有黏附。更進(jìn)一步看，這些結(jié)構(gòu)是怎么樣生成的，壁虎的毛是皮膚的衍生物，它跟我們的頭發(fā)不一樣，我們的頭發(fā)是從毛囊當(dāng)中長(zhǎng)出來(lái)的，壁虎的毛是從皮膚直接衍生出來(lái)的。
壁虎的毛有沒(méi)有感知，有沒(méi)有驅(qū)動(dòng)，怎么了解這個(gè)呢？我們?nèi)タ幢诨⒌钠ぐ甑拿袥](méi)有機(jī)動(dòng)蛋白，因?yàn)榧∪獾倪\(yùn)動(dòng)是機(jī)動(dòng)蛋白作用的結(jié)果，黃的地方是有機(jī)動(dòng)蛋白的地方，長(zhǎng)毛的皮瓣是有主動(dòng)運(yùn)動(dòng)的，因?yàn)闃?biāo)黃，證明它是有機(jī)動(dòng)蛋白的。這個(gè)毛是納米級(jí)的，100多個(gè)微米長(zhǎng)，太難做出來(lái)了，我們?cè)?jīng)試圖把它長(zhǎng)出來(lái)，我們確實(shí)也長(zhǎng)了，但是沒(méi)有壁虎長(zhǎng)的好，后面我們只好想各種各樣的方法把它制造出來(lái)。
左邊的是壁虎在天花板位置的黏附，它的腳指頭比我們的厲害，它是往后翻，一抓再一拖，這樣一個(gè)運(yùn)動(dòng)模式和它的運(yùn)動(dòng)性能之間有很大的關(guān)系，右邊是微結(jié)構(gòu)。
這樣三個(gè)運(yùn)動(dòng)模式，抓、展和扭，是否可以調(diào)控呢？我們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)，壁虎的外周有三個(gè)神經(jīng)束，底下分別有它的名字，這三個(gè)名字有特別清楚的功能，也是結(jié)構(gòu)決定了功能。
開(kāi)始我和北大的孫久榮老師聊，我們能不能通過(guò)控制外周的神經(jīng)，對(duì)它的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行調(diào)控，后來(lái)發(fā)現(xiàn)不行，因?yàn)橥庵苡写罅康耐锤惺芷鳎阉隽耸中g(shù)以后，壁虎很痛就不聽(tīng)話了。后來(lái)我們知道腦子沒(méi)有痛感受器，所以我們研究壁虎的腦子，看那個(gè)核團(tuán)對(duì)它的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)起作用。很幸運(yùn)，經(jīng)過(guò)幾年的努力，終于找到了左轉(zhuǎn)核團(tuán)，右轉(zhuǎn)核團(tuán)，置入微電極進(jìn)行控制。
以壁虎本身作為運(yùn)動(dòng)體，也就是動(dòng)物機(jī)器人，這是現(xiàn)在非常熱門(mén)的一個(gè)研究，也是非常有前景的研究。更多的情況下，我們還是希望能做出仿生機(jī)器人，要做仿生機(jī)器人，第一個(gè)要知道壁虎是怎么運(yùn)動(dòng)的？它的力學(xué)規(guī)律是怎么樣的？
我們建了這樣的運(yùn)動(dòng)測(cè)力系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)美國(guó)人的傳感器，1萬(wàn)美金一個(gè)，實(shí)在買不起，所以我們自己做了傳感器，做了這樣的對(duì)列，由幾十個(gè)傳感器組合，非常幸運(yùn)，壁虎在上面走過(guò)去的時(shí)候，有的情況下能夠把每一腳都踩在傳感器上的力拿到，我們得到了中間的數(shù)據(jù)，它預(yù)示著動(dòng)物在走的時(shí)候是一個(gè)對(duì)角步態(tài)，左前腳右后腳或者右前腳左后腳。
有一天學(xué)生跑來(lái)找我，說(shuō)這個(gè)腳丫子跑到另外一個(gè)傳感器上，通常這樣的數(shù)據(jù)就沒(méi)用了，我一看，說(shuō)這個(gè)很有意思，我們測(cè)到了單個(gè)腳趾一部分接觸的時(shí)候，它的力是多少，這個(gè)力回歸到體坐標(biāo)系，大家看，右上圖的力的方向始終是沿著腳丫子的方向，而且右下角的力的作用角只有20度，20度是非常穩(wěn)定的，按照國(guó)外的研究30度要脫附，壁虎腳丫子是20度。
我們用這樣的系統(tǒng)做了壁虎在天花板上、墻上和地面上運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)反力，左邊的圖是在天花板上；中間的是在爬墻的時(shí)候，前腳和后腳把自己的重力分一半，中間的受力的角度只有15度，所以壁虎非常喜歡在墻上，甚至一個(gè)腳丫子往那兒一搭，都可以掛著，絕對(duì)不會(huì)掉下來(lái)。同時(shí)告訴大家一個(gè)小秘密，壁虎的交配行為是在墻上發(fā)生的，甚至生下來(lái)的蛋也是直接黏在墻上的。
我們做了壁虎從0度，30度，60度一直到180度過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)反力是怎么樣變化的。兩個(gè)臨界角，從0度到90度，它的運(yùn)動(dòng)模式的變化，臨界點(diǎn)在80度，從90度到180度，臨界角是140度，這樣的臨界角對(duì)于樹(shù)蛙，對(duì)于蝗蟲(chóng)也非常的接近。我和幾個(gè)做攀巖的朋友聊，他說(shuō)在比較陡峭的時(shí)候，要把自己手臂張開(kāi)，這個(gè)和動(dòng)物是一模一樣的，但是它的神經(jīng)機(jī)制以及力學(xué)原理到底是什么，現(xiàn)在依然不清楚。
以前大家研究跳躍，不知道前腿和后腿的功能有什么不同，我們測(cè)出來(lái)前腿和后腿到底是怎么起作用的，開(kāi)始前腿起作用，我們從中間的力可以看到，前腿離開(kāi)以后，后腿開(kāi)始發(fā)力，這個(gè)時(shí)候后腿的力角度是55-57度之間，重心在前面往下掉，等到后腿離開(kāi)的時(shí)候，那個(gè)角度是45度，很長(zhǎng)時(shí)間我都覺(jué)得不可思議，這樣一個(gè)很低級(jí)的動(dòng)物，它竟然知道45度可以跳的最遠(yuǎn)。
為什么很多動(dòng)物既有黏附墊，又有鉤爪，它們分別如何起作用？如何協(xié)同？鉤爪在粗糙的表面上非常方便，但是黏附只有到光滑的表面它的接觸面積才能大，但是自然界不可能完全光滑，或完全是粗糙，遇到這樣的情況，動(dòng)物怎么解決呢。
既有爪子，又有黏附墊，爪子和黏附墊之間到底是怎么樣協(xié)同作用的，上圖是問(wèn)題的引入，以及怎么做實(shí)驗(yàn)。底下可以看到，當(dāng)僅僅有爪子的時(shí)候，接觸面積小，黏附力小，但是兩個(gè)協(xié)同作用的時(shí)候，它能夠獲得的力比兩個(gè)單獨(dú)作用的時(shí)候加起來(lái)還要大，由此我們可以看到，動(dòng)物真的很聰明，但是這個(gè)聰明是以生命為代價(jià)的，不好的全部淘汰掉了，幾億年的淘汰。
前面我們講因?yàn)榭蒲行枨?，研制三維力傳感器，后來(lái)這個(gè)設(shè)計(jì)技術(shù)，引入到六維力傳感器，目前我們負(fù)責(zé)的科技部重大研發(fā)計(jì)劃已經(jīng)完成，在這個(gè)項(xiàng)目的支持下，研制了從100g到100噸，中間這個(gè)現(xiàn)在中國(guó)汽車研究院已經(jīng)大量的采用。另外可以報(bào)告大家一個(gè)好消息，這個(gè)傳感器，我們已經(jīng)出口到美國(guó)，美國(guó)公司做了三個(gè)月的測(cè)試，后來(lái)發(fā)現(xiàn)在6個(gè)指標(biāo)里面，我們竟然有4個(gè)指標(biāo)比最好的ATI還要好。
力傳感器可以用在什么地方？比如裝配，去毛刺，拋光打磨。以前這樣的活是人干的，又臟又累，現(xiàn)在沒(méi)有人喜歡干了，我們給機(jī)器人賦予力學(xué)，讓機(jī)器人來(lái)替代人來(lái)完成這樣的工作。
剛才講了做毛，以前我們做不出來(lái)，但是通過(guò)破壞，知道它的功能是什么、結(jié)構(gòu)功能關(guān)系是什么，最后把這個(gè)黏附的毛做出來(lái)了。最左邊的是目前唯一能夠批量生產(chǎn)的德國(guó)產(chǎn)品，右邊是我們經(jīng)過(guò)了10多年的努力現(xiàn)在已經(jīng)可以做出來(lái)的產(chǎn)品。
同時(shí)我們做了很多各種各樣的結(jié)構(gòu)形狀，包括黏附接觸以及水面上的接觸，我們也可以實(shí)現(xiàn)非常好的黏附，以及很大的摩擦力。同時(shí)，我們有生長(zhǎng)的技術(shù)，可以長(zhǎng)出10-20納米的黏附材料。
我們用這樣的黏附結(jié)構(gòu)和黏附材料可以做一個(gè)黏附裝置，這個(gè)是浮起來(lái)的模擬空間微重力的情況，通常撞擊肯定會(huì)飛掉，但是用這個(gè)材料之后，撞擊就會(huì)把兩個(gè)東西合在一起，一個(gè)碎片過(guò)來(lái)了，可以抓過(guò)來(lái)，可以抓碎片的話，也可以抓其他東西。
我們用這樣的技術(shù)和機(jī)器人結(jié)合，做出仿壁虎機(jī)器人，我們可以實(shí)現(xiàn)在模擬空間站的外倉(cāng)表面模擬衛(wèi)星的表面來(lái)實(shí)現(xiàn)黏附的運(yùn)動(dòng)。
這個(gè)機(jī)器人可以完美的復(fù)原壁虎的運(yùn)動(dòng)，這個(gè)未來(lái)會(huì)在空間站上做進(jìn)一步的工作，替代航天員做航天器的檢測(cè)。
有了爪子和黏附材料，它可以把各種各樣的材料，輕輕的抓過(guò)去，但是這里面是不需要力控的，包括抓生雞蛋，生雞蛋對(duì)抓力的大小更敏感，在這里面，不管是軟的、硬的、重的、輕的，我們用它來(lái)抓都是可以的。
