運動是動物的基本特征，運動首先要感知環(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，決策以后形成運動指令，肌肉聽從指令收縮，使得肢體和外界相互作用，動物在相互作用中，從外界獲得運動反力。

      我們已經(jīng)看到很多成功仿生的案例，最成功的就是飛機，現(xiàn)在飛機可以比任何一個鳥飛的更高、更遠(yuǎn)、更快，但是沒有哪個飛機飛的像鳥那樣安全，所以還是有很多值得向鳥學(xué)習(xí)的地方。

      我們主要研究的是動物的黏附以及運動。動物生活在弱肉強食的環(huán)境里，很多昆蟲為了避免被鳥吃掉，就會躲到樹葉底下，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。動物黏附結(jié)構(gòu)的多樣性給我們的啟示是實現(xiàn)同樣一個功能，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。左上角是一個水黽，這個小家伙曾經(jīng)啟發(fā)科學(xué)家發(fā)表了4篇Nature和Science論文，后來發(fā)現(xiàn)它的實質(zhì)是固體和液體之間界面相互作用的調(diào)控問題，而這個水黽為什么能調(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)，它是一個固固相互作用的界面，通常一個固體推著另一個固體，兩者之間會產(chǎn)生排斥力，但是壁虎給我們打開了另外一個完全不同的窗戶，兩個固體之間可以產(chǎn)生相互吸引的力，這個是它神奇的地方，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，因為那個里面比較陡峭，蛇很難上去。這只壁虎剛剛從其中的一個蛋里面孵化出來，目前為止我們還沒有搞清楚，這么小的一個蛋，那么大一個壁虎，是怎么蜷縮在里面的，這個留給大家未來探索。

  結(jié)構(gòu)和功能之間到底是什么樣的關(guān)系？剛開始的時候，做不出來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。這個實驗告訴我們結(jié)構(gòu)非常重要，如果損壞程度較大，幾乎沒有黏附。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)中長出來的，壁虎的毛是從皮膚直接衍生出來的。

      壁虎的毛有沒有感知，有沒有驅(qū)動，怎么了解這個呢？我們?nèi)タ幢诨⒌钠ぐ甑拿袥]有機動蛋白，因為肌肉的運動是機動蛋白作用的結(jié)果，黃的地方是有機動蛋白的地方，長毛的皮瓣是有主動運動的，因為標(biāo)黃，證明它是有機動蛋白的。這個毛是納米級的，100多個微米長，太難做出來了，我們曾經(jīng)試圖把它長出來，我們確實也長了，但是沒有壁虎長的好，后面我們只好想各種各樣的方法把它制造出來。

     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，這樣一個運動模式和它的運動性能之間有很大的關(guān)系，右邊是微結(jié)構(gòu)。

    這樣三個運動模式，抓、展和扭，是否可以調(diào)控呢？我們在研究中發(fā)現(xiàn)，壁虎的外周有三個神經(jīng)束，底下分別有它的名字，這三個名字有特別清楚的功能，也是結(jié)構(gòu)決定了功能。

      開始我和北大的孫久榮老師聊，我們能不能通過控制外周的神經(jīng)，對它的運動進(jìn)行調(diào)控，后來發(fā)現(xiàn)不行，因為外周有大量的痛感受器，把它做了手術(shù)以后，壁虎很痛就不聽話了。后來我們知道腦子沒有痛感受器，所以我們研究壁虎的腦子，看那個核團(tuán)對它的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)起作用。很幸運，經(jīng)過幾年的努力，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。

       以壁虎本身作為運動體，也就是動物機器人，這是現(xiàn)在非常熱門的一個研究，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器人，要做仿生機器人，第一個要知道壁虎是怎么運動的？它的力學(xué)規(guī)律是怎么樣的？

       我們建了這樣的運動測力系統(tǒng)，當(dāng)時美國人的傳感器，1萬美金一個，實在買不起，所以我們自己做了傳感器，做了這樣的對列，由幾十個傳感器組合，非常幸運，壁虎在上面走過去的時候，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)示著動物在走的時候是一個對角步態(tài)，左前腳右后腳或者右前腳左后腳。

       有一天學(xué)生跑來找我，說這個腳丫子跑到另外一個傳感器上，通常這樣的數(shù)據(jù)就沒用了，我一看，說這個很有意思，我們測到了單個腳趾一部分接觸的時候，它的力是多少，這個力回歸到體坐標(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、墻上和地面上運動的運動反力，左邊的圖是在天花板上；中間的是在爬墻的時候，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，甚至一個腳丫子往那兒一搭，都可以掛著，絕對不會掉下來。同時告訴大家一個小秘密，壁虎的交配行為是在墻上發(fā)生的，甚至生下來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度過程中的運動反力是怎么樣變化的。兩個臨界角，從0度到90度，它的運動模式的變化，臨界點在80度，從90度到180度，臨界角是140度，這樣的臨界角對于樹蛙，對于蝗蟲也非常的接近。我和幾個做攀巖的朋友聊，他說在比較陡峭的時候，要把自己手臂張開，這個和動物是一模一樣的，但是它的神經(jīng)機制以及力學(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，我們測出來前腿和后腿到底是怎么起作用的，開始前腿起作用，我們從中間的力可以看到，前腿離開以后，后腿開始發(fā)力，這個時候后腿的力角度是55-57度之間，重心在前面往下掉，等到后腿離開的時候，那個角度是45度，很長時間我都覺得不可思議，這樣一個很低級的動物，它竟然知道45度可以跳的最遠(yuǎn)。

     為什么很多動物既有黏附墊，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，上圖是問題的引入，以及怎么做實驗。底下可以看到，當(dāng)僅僅有爪子的時候，接觸面積小，黏附力小，但是兩個協(xié)同作用的時候，它能夠獲得的力比兩個單獨作用的時候加起來還要大，由此我們可以看到，動物真的很聰明，但是這個聰明是以生命為代價的，不好的全部淘汰掉了，幾億年的淘汰。

     前面我們講因為科研需求，研制三維力傳感器，后來這個設(shè)計技術(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)計劃已經(jīng)完成，在這個項目的支持下，研制了從100g到100噸，中間這個現(xiàn)在中國汽車研究院已經(jīng)大量的采用。另外可以報告大家一個好消息，這個傳感器，我們已經(jīng)出口到美國，美國公司做了三個月的測試，后來發(fā)現(xiàn)在6個指標(biāo)里面，我們竟然有4個指標(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)在沒有人喜歡干了，我們給機器人賦予力學(xué)，讓機器人來替代人來完成這樣的工作。

     剛才講了做毛，以前我們做不出來，但是通過破壞，知道它的功能是什么、結(jié)構(gòu)功能關(guān)系是什么，最后把這個黏附的毛做出來了。最左邊的是目前唯一能夠批量生產(chǎn)的德國產(chǎn)品，右邊是我們經(jīng)過了10多年的努力現(xiàn)在已經(jīng)可以做出來的產(chǎn)品。

      同時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，我們也可以實現(xiàn)非常好的黏附，以及很大的摩擦力。同時，我們有生長的技術(shù)，可以長出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黏附裝置，這個是浮起來的模擬空間微重力的情況，通常撞擊肯定會飛掉，但是用這個材料之后，撞擊就會把兩個東西合在一起，一個碎片過來了，可以抓過來，可以抓碎片的話，也可以抓其他東西。

     我們用這樣的技術(shù)和機器人結(jié)合，做出仿壁虎機器人，我們可以實現(xiàn)在模擬空間站的外倉表面模擬衛(wèi)星的表面來實現(xiàn)黏附的運動。

      這個機器人可以完美的復(fù)原壁虎的運動，這個未來會在空間站上做進(jìn)一步的工作，替代航天員做航天器的檢測。

      有了爪子和黏附材料，它可以把各種各樣的材料，輕輕的抓過去，但是這里面是不需要力控的，包括抓生雞蛋，生雞蛋對抓力的大小更敏感，在這里面，不管是軟的、硬的、重的、輕的，我們用它來抓都是可以的。