英文题目：Parthenocissus-inspired soft climbing robots

中文题目： 爬山虎启发的软体攀爬机器人

作者：Kecheng Qin, Wei Tang, Huaizhi Zong, Xinyu Guo, Huxiu Xu, Yiding Zhong, Yonghao Wang, Qincheng Sheng, Huayong Yang, Jun Zou（通讯）

作者单位： 浙江大学、南方科技大学

期刊：Science Advances（IF 12.5中科院一区，JCR一区）

发表时间：2025年3月26日

链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt9284

引文格式：Qin K, Tang W, Zong H, et al. Parthenocissus-inspired soft climbing robots[J]. Science Advances, 2025, 11(13): eadt9284.

攀爬机器人不是新鲜事，但大多数都有个共同的软肋：只能在特定材料（比如铁磁性表面）或特定结构（比如平整墙面）上爬。一旦遇到材料混杂、表面不连续的环境——比如建筑工地、矿井、生产车间里的脚手架或镂空格栅——传统的攀爬机器人就抓瞎了。

浙大和南科大团队从爬山虎身上找到了解决方案。他们发现，爬山虎之所以能在各种复杂表面上攀爬，靠的是一种“生长-攀爬耦合”的策略：一边生长，一边长出吸盘固定自己，再继续向上。他们把这种机制复现到了机器人上。

这个软体攀爬机器人直径5.8厘米，长度可以根据任务定制。它的“吸盘”是一层带微结构的生物膜，像爬山虎的吸盘一样能产生范德华力和负压吸附。它的“弯曲”靠的是形状记忆合金弹簧，通电收缩，最大能弯80度。最特别的是，任务完成后它还能通过电机反向卷绕，把伸出去的“身体”完整收回来，不留下任何东西。

他们在各种复杂表面上做了验证：木材、陶瓷、白墙、金属——都能爬；格栅、管道、直角拐角——也能过。结合无人机搭载，还能实现三维空间的侦察任务。

核心亮点：

✅生长-攀爬耦合：像爬山虎一样，一边生长一边固定自己，突破不连续表面

✅微结构生物膜：仿生吸盘，对多种表面有7-10 kPa的吸附强度，可重复使用、无残留

✅SMA弯曲驱动：最大弯曲80度，响应时间1.5秒，轻量可控

✅可收缩：任务完成后通过电机反向卷绕完整收回，不遗留任何部件

✅环境适应性：能在木材、陶瓷、白墙、金属、格栅、管道、拐角等多种表面攀爬

✅无人机协同：搭载在无人机上，实现飞行+攀爬的立体侦察

🌿 灵感来源：爬山虎的生长-攀爬机制

爬山虎攀爬的过程可以概括为：生长、长出吸盘、固定、再生长。细胞膨压提供驱动力，营养物质输送到尖端合成细胞壁，吸盘上密密麻麻的微观结构让它可以牢牢吸附在任何表面上。

关键点在于：已生长的部分被吸盘牢牢固定，不会影响后续的生长和弯曲。这个“固定-生长”解耦的机制，正是现有生长式机器人欠缺的。

图 1. 受爬山虎启发的软体攀爬机器人的概念。 (A) 爬山虎的吸盘和机器人。吸盘上有微孔。 (B) 爬山虎和机器人的弯曲。一侧收缩会导致弯曲。 (C 和 D) 动态大角度弯曲。爬山虎和机器人的弯曲角度可大可小。 (E) 攀缘植物在不连续的表面上攀爬。不连续表面存在较大间隙（F）软体爬行机器人在不连续表面攀爬。机器人越过大路，到达目标。 (G) 爬山虎的生长和攀爬以及软体攀爬机器人。 (H) 软体攀爬机器人的收缩。弯曲也可以收缩。 （一）软体攀爬机器人的应用。

🤖生长-攀爬机制在机器人上的实现

他们把爬山虎的机制映射到了机器人上：

-驱动力：细胞膨压 → 气动压力

-材料输送：营养物质输送 → 生长材料外翻

-吸附：吸盘 → 微结构生物膜

-弯曲：胶质纤维收缩 → SMA弹簧收缩

图1C是机器人的结构示意图，1D是实物照片。机器人主体是0.05毫米厚的PE膜，直径5.8厘米。微结构生物膜贴在一侧，另一侧贴毛毡防止内部粘连。SMA弹簧固定在机器人外侧，间隔大于2厘米以避免影响生长。

图2 软体攀爬机器人的生长攀爬机构。 (A)生长攀爬机制的原理，包括驱动力、物质传输和粘附。 (B) 微结构生物膜的粘附应力和摩擦应力。 (C) 展示微结构生物膜对不同重量、尺寸和材料的各种物体的粘附力。 （D到G）软体攀爬机器人在不同材料的表面上攀爬，包括木材、陶瓷、白墙和金属（视频S1）。 （H到J）软体攀爬机器人在结构复杂的表面上攀爬，包括格栅、管子和拐角（视频S2）。比例尺，5 厘米。

图2A把生长-攀爬机制拆解成三个要素：驱动力、材料输送、吸附。每个要素都有对应的生物学原型和工程实现。

他们还建立了一个生长模型：

这个式子把驱动压力分解成三部分：细胞壁扩展、路径损耗、尖端剥离力。右边的最后一项就是剥离力——为了减小这个力，他们在生物膜的另一侧贴了低表面能的尼龙材料。

吸附力模型：

范德华力 + 负压差，两者共同作用。

🧪吸附性能测试

图2B是微结构生物膜在7种常见表面的吸附强度测试。光滑表面（陶瓷、金属、玻璃、亚克力）上能达到10 kPa，粗糙表面（白墙、木材）上也能到7 kPa。摩擦强度更高，陶瓷表面能达到26.2 kPa。

图2C展示了生物膜对各种物体的吸附能力：工具箱（284.6克）、金属支架（162.4克）、弧形胶水瓶（21.2克）、双面胶卷（50.8克）、气泡膜（0.3克）、墙纸（1.8克）。不管形状、重量、材质，都能吸住。

🧗攀爬性能演示

图2D-G是机器人在木材、陶瓷、白墙、金属四种材料表面攀爬的连续截图。都能爬，证明生物膜的适应性不错。

图2H是爬格栅（不连续表面），图2I是爬管道，图2J是爬90度拐角。都顺利通过。

🔄生长-弯曲机制

图3A是爬山虎的铰链式弯曲，弯曲位置固定不变。图3B是内外侧生长速率对比，内侧慢、外侧快，所以产生弯曲。图3C-D是机器人的弯曲原理：SMA弹簧通电收缩，产生褶皱，导致一侧长度变短，整体弯曲。已经生长并弯曲的部分被吸盘固定，不会影响后续动作。

图3E是SMA弹簧的形变-温度曲线：50度开始相变，68度完全收缩，最大收缩量13.5厘米。图3F-G是不同压力下的弯曲角度和响应时间：4.2 kPa下能弯80度（9V电压），响应时间1.5秒。

图3 软体攀爬机器人的生长弯曲机构。 (A)爬山虎的铰链状弯曲。弯曲位置不随时间变化。(B) 弯曲内侧和外侧的增长率。内部生长速率低于外部生长速率（C 和 D）。增长弯曲机构的原理。已经长大和弯曲的部分被锁定。 (E) SMA 弹簧的变形测试。 (F) 不同压力下机器人弯曲角度的测试。 (G) 机器人在不同压力下的弯曲时间测试。 (H 到 J) 软体攀爬机器人的连续弯曲。机器人经历两次弯曲，记录角度α和增长长度。 α 定义为机器人头轴与水平线之间的角度（视频3）。 (K) 软体攀爬机器人的 3D 生长（视频 S4）。比例尺，10 厘米。

图3H-J是一次连续两次弯曲的过程，每次弯曲后都能继续生长。图3K是经过三次弯曲实现的三维生长轨迹。

📦收缩机制

图4A是收缩时的受力分析：内部材料产生的拉力F可以分解为轴向力Fa和径向力Fr。轴向力负责把机器人往回拉，径向力会把机器人压向侧壁。要能顺利收缩，需要满足：

径向力小于吸附力，机器人就不会侧弯打结。

他们用Kendall模型来描述生物膜的剥离行为：

剥离角θ越大，剥离力越小。机器人的剥离角接近180度。

图4.软体攀爬机器人的收缩机构。 (A)收缩机制的原理。机器人的收缩可以看作是一个剥离过程。 (B) 没有额外收缩装置的生长机器人将会弯曲。 （C和D）连续弯曲软爬机器人的收缩过程（视频S5）。收缩的长度随时间线性变化。 (E) 连续弯曲软爬机器人在管道内的收缩过程。机器人沿着弯曲的管壁进行剥皮。比例尺，5 厘米。

图4D是机器人在平面上收缩的过程，经过两个弯曲点，生物膜像胶带一样被撕开。图4E是在弯曲管道内收缩的过程。

👁️视觉检测应用

他们在机器人头部装了摄像头，用YOLOv5实时检测目标。图5A是软硬件框架，图5B是识别拱门并穿过的过程，图5C是目标水平距离随生长长度的变化曲线——控制系统根据这个距离决定左转、直行还是右转。

图 5. 用于目视检查的软体攀爬机器人。 (A)软体攀爬机器人视觉检测的软硬件框架，包括驱动和图像处理。 (B) 软体攀爬机器人视觉识别并穿过拱形门。从摄像机的视角可以识别拱门（视频7）。比例尺，5 厘米。(C) 生长过程中距目标的水平距离。 (D) 软体攀爬机器人关灯。机器人可以通过成长的力量完成操控任务。比例尺，2.5 厘米。

图5D是机器人利用生长的冲击力关灯的连续截图。冲击力在10 kPa下能达到10.1牛。

🚁无人机协同应用

他们把生长模块集成到一个四旋翼无人机上（图6A），模块重284克，由无人机供电和控制。图6B是协同作业流程：无人机飞到脚手架某一层，停靠；机器人生长出来，爬上脚手架，穿过缝隙，到达目标点。图6C是机器人在空中生长和弯曲的演示。图6D是模拟建筑工地的微型场景，机器人从无人机平台出发，两次弯曲后看到缝隙里的目标。

图 6. 软体攀爬机器人与无人机结合用于建筑工地检查。 (A) 携带生长模块的无人机，该模块具有便携性和集成性。(B) 无人机与软体攀爬机器人结合的想象操作场景，以降低人类风险。 (C) 软体攀爬机器人的空中生长（视频S8）。(D) 软体攀爬机器人和无人机相结合，用于 3D 探索。第一人称视角来自软体攀爬机器人前端的摄像机（视频S9）。(E) 与其他攀爬机器人的比较。比例尺，10 厘米。

图6E用一张二维图对比了各类攀爬机器人的表面适应性。本文的机器人覆盖的区域最广，尤其是在“不连续表面”这个维度上独树一帜。

①生长-攀爬耦合机制

这是全文最核心的概念。以往的攀爬机器人要么是“爬”不“长”，要么是“长”不“爬”。他们把生长和攀爬耦合起来：生长过程中长出吸盘并固定，固定的部分又支撑后续生长。这个机制让机器人能跨越不连续表面——这是传统攀爬机器人做不到的。

②微结构生物膜作为可生长吸盘

生物膜不是事后贴上去的，而是在生长过程中自然外翻出来的。这模仿了爬山虎的吸盘生长方式。生物膜的吸附力来自范德华力和负压，对多种表面有效，可重复使用，无残留，吸附强度恰到好处（7-10 kPa）——太强会导致内部粘连堵死生长，太弱则吸附不住。

③SMA弹簧实现铰链式弯曲

在生长机器人上加弯曲机构不是新事，但大多数方案都重、慢、角度小。SMA弹簧轻、响应快、能弯80度，而且弯曲位置固定，不会随着生长而漂移。他们还用玻璃纤维隔热，防止高温熔化PE膜。

④基于吸附的收缩机制

生长机器人难收缩的根本原因是径向力会导致侧弯打结。他们用吸盘的吸附力抵消径向力，让收缩过程变成可控的剥离行为。这个思路比加额外的收缩机构要轻量得多。

⑤无人机+攀爬机器人协同

两个系统互补：无人机提供大范围机动能力，攀爬机器人提供精细的局部侦察能力。机器人可以从无人机上生长出来，进入无人机进不去的缝隙。这种异构协同的架构比单一形态的机器人适用范围更广。

这个工作最让人印象深刻的地方是机制的完整性。他们从爬山虎的生长-攀爬行为中抽象出三个要素（驱动力、材料输送、吸附），然后用三种工程手段（气动、外翻、生物膜）一一对应实现。更难得的是，他们还多走了一步——让机器人能收缩。

从应用角度看，这个机器人填补了一个空白：不连续表面的攀爬。脚手架、格栅、镂空结构，这些地方以前没有合适的攀爬机器人能去。结合无人机后，能去的场景就更多了。

未来研究将聚焦于以下几个方向：

🔸吸附方案的可替换性：生物膜适用于干燥表面，如果遇到水下或油污环境，可以考虑换成湿吸附或电吸附模块。生长-攀爬机制本身是通用的，吸附层可以按需替换。

🔸更复杂的弯曲控制：目前SMA弹簧是开关式的，弯曲角度固定。如果能用脉宽调制或闭环控制，实现任意角度和连续曲率，可以适应更复杂的路径。

🔸生长速度与精度的平衡：气压越高生长越快，但过高会导致爆裂或失控。需要根据任务需求动态调节压力，或者引入机械限位。

🔸多机协同：如果多个这样的机器人能从同一个基站生长出来，形成网络，可以覆盖更大的区域。或者多个无人机携带多个机器人，同时侦察多个目标。

🔸自主路径规划：目前视觉检测只用来识别目标并决定左中右，如果能结合三维建图和全局路径规划，机器人可以在完全未知的环境中自主导航。

🔸材料耐久性：PE膜长期使用后可能疲劳破损，SMA弹簧也有循环寿命上限。需要研究更高强度、更耐久的材料组合。

从爬山虎到软体机器人，这个仿生学的故事讲得很完整。下一步，是让它从实验室走进真实的建筑工地、矿井、核电站。

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