大壁虎是已知質量最大的能夠在墻面和天花板自由攀爬的動物，其優秀的壁面運動能力不僅得益于腳掌的黏附機制，還與骨骼結構和肢體的精細調控息息相關。在壁虎的運動中，其軀干通常采用橫向擺動的運動模式，從而獲得較大的運動優勢。目前來看，大多數仿壁虎機器人的研究主要是基于剛性軀干，大部分學者的關注點在于如何將壁虎超凡的黏脫附機制以及空間過渡能力應用于仿壁虎機器人的足部結構，忽略了可彎曲的柔性脊柱在運動過程中的重要作用。剛性機體結構因為不具有柔順性，缺乏變剛度特性，不易于動態調整機體的姿態，難以適應環境或速度的變化，導致仿壁虎機器人的運動性能與真實壁虎相去甚遠。

近期，南京航空航天大學機電學院運動仿生與智能機器人實驗室吉愛紅教授課題組展示了一種基于形狀記憶合金彈簧驅動柔性脊柱的仿壁虎機器人，在整體結構和幾何比例上均與大壁虎的身體特征非常相似。該仿壁虎機器人共設有15個自由度（每條腿3個，脊柱3個）。為了保證機器人能夠在沒有冗余驅動的情況下實現自由的三維單肢運動，每條腿采用三個運動關節的設計，分別對應壁虎四肢的髖關節、膝關節以及踝關節，其中髖關節用于實現腿部的俯仰，膝關節用于實現腿部的前后擺動，踝關節用于實現足部的扭轉，如圖1A、1B所示。

該仿壁虎機器人的特別之處在于具有一根串聯式鉸鏈結構的柔性脊柱，由三個相同的子模塊組成，每個子模塊都設有一個轉動關節。在該柔性脊柱的設計中，摒棄了傳統的機械驅動方式，選擇使用智能材料中的形狀記憶合金（SMA）彈簧作為驅動器，成對安裝在柔性脊柱的兩側，利用電加熱方式對其進行致動，并通過差動式設計驅動柔性脊柱的側向偏轉，如圖1C、1D所示。在機器人的運動中，通過控制兩側SMA彈簧的變形程度來改變柔性脊柱的側向偏轉角度，同時配合四肢的規律性擺動，實現機器人軀干與四肢的協同運動，相比于剛性軀干的仿壁虎機器人，不僅提高了直行時的移動速度，還減小了轉彎時的轉彎半徑，大大增強了仿壁虎機器人的運動靈活性。

圖1 （A）生物壁虎的身體結構；（B）具有柔性脊柱的仿壁虎機器人，腿部機構采用三自由度設計；（C）由三對 SMA彈簧驅動的串聯式鉸鏈結構的柔性脊柱；（D）柔性脊柱單節結構爆炸圖。

SMA彈簧作為仿壁虎機器人柔性脊柱的核心元件，其驅動特性直接決定了機器人的運動性能。團隊通過定長加熱實驗測定了SMA彈簧在不同預拉伸長度下輸出軸向驅動力的實際能力，并通過自由變形加熱實驗測定了SMA彈簧驅動時產生的收縮變形量與自身溫度之間的關系，確定了SMA彈簧發生奧氏體相變的溫度范圍，然后基于牛頓熱平衡方程，建立了通過PWM信號控制電加熱SMA彈簧的溫升模型，分析了在不同電加熱功率下SMA彈簧的溫度變化情況。具體實驗結果如圖2所示。

圖2 （A）不同預拉伸長度下SMA彈簧的軸向驅動力變化；（B）SMA彈簧變形量與溫度之間的關系；（C）不同占空比下的溫升曲線；（D）最大穩定溫度與占空比關系。

要模擬壁虎軀干的側向擺動模式，首先要研究其在一個步態周期內的動作特征，采用配有高速攝像機的光學式運動捕捉系統記錄了壁虎的運動，并用熒光點標記了壁虎軀干和四肢的關節位置，壁虎在一個小跑步態周期中的形態如圖3A所示。當機器人以軀干側向擺動的運動模式前進時，除了進行小跑步態所必須執行的四肢動作外，還應該模擬兩個運動行為，分別是：（1）脊柱的左右扭轉；（2）肩帶和骨盆帶的相反方向旋轉，并保證肩帶中心與骨盆帶中心的連線始終沿運動方向不變。在一個步態周期內，壁虎軀干的肩帶旋轉角和骨盆帶旋轉的單側最大波動范圍分別為33.56 ± 3.01 °，33.22 ± 1.72 °。肩帶/骨盆帶旋轉與脊柱偏轉同相位，且呈現平滑的單峰值曲線，表示三者的協調一致才產生了軀干穩定的側向擺動。在本研究中，考慮到單獨控制柔性脊柱某一側的單根SMA彈簧將帶來嚴重的滯后性，因此認為脊柱前后部分的彎曲程度相同，同側SMA彈簧在時間序列上表現出相同的行為特征。

圖3 （A）壁虎在一個小跑步態周期中的姿勢；（B）壁虎軀干中肩帶偏轉角和骨盆帶偏轉角的定義；（C）一個周期內肩帶/骨盆帶偏斜角度的變化。

根據壁虎形態學和運動學的觀察結果，提出三個簡化理論分析的假設：（1）軀干側向擺動時，肩帶和骨盆帶的旋轉在時間和空間上對稱；（2）步態轉換時刻，四肢各對應關節的角度變化量一致，步幅為恒定值，運動速度則依賴于肢體擺動頻率；（3）柔性脊柱各旋轉關節的旋轉方向和數值相同；（4）忽略尾巴對運動的影響。基于以上假設，建立了仿壁虎機器人柔性脊柱與四肢的協同模型，如圖4所示。通過控制脊柱關節與四肢關節的相互協調，能夠使仿壁虎機器人的軀干側向擺動表現出駐波形態，脊柱呈現單峰類C型曲線，且所有的脊柱關節幾乎在同一時刻到達位移極值。

圖4 仿壁虎機器人柔性脊柱與四肢的協同運動模型。

制作的仿壁虎機器人樣機如圖5所示，柔性脊柱和腿部機構是由樹脂材料通過3D打印技術制成的輕量化零件，頭部和尾部支撐板以及尾巴由2mm厚的碳纖維板材切割加工，電子控制板分別布置在頭尾支撐板上。機器人整體質量為1.03kg，長度和寬度分別為970mm和162mm。為了測試機器人是否滿足理論預期，根據運動模型用熒光點標記了仿壁虎機器人的身體特征，在實驗平臺周圍布置了四個高速攝像機，利用多個攝像機構成的系統確定特征標記點在整個空間區域的三維坐標信息，然后通過直接線性變換方法獲得任意時刻這些特征點的絕對坐標，并據此模擬出所有標記點的運動軌跡。

圖5 （A）運動實驗平臺；（B）仿壁虎機器人樣機。 根據實驗數據分析，當仿壁虎機器人采用剛性脊柱運動時，它的平均步幅為81.63 mm，移動速度為20.35 mm/s，而當機器人采用柔性脊柱運動時的平均步幅為199.88 mm，移動速度為44.89 mm/s。這個結果符合理論預期，并證實了軀干的側向擺動對運動步幅有著非常積極的影響。同時還進行了仿壁虎機器人轉彎運動的實驗，結果顯示，當機器人采用剛性脊柱時，其轉彎半徑約為620 mm，而采用柔性脊柱時的轉彎半徑約為270 mm。可見，柔性脊柱大幅減小了機器人進行轉彎運動時的轉彎半徑，很大程度上提升了機器人的靈活性。

未來，具有柔性脊柱的仿壁虎機器人將得到不斷完善。團隊將進一步在SMA彈簧的開環電加熱控制基礎上增加反饋補償，減小SMA彈簧的非線性遲滯效應，以提高柔性脊柱偏轉的位置精度。此外，在仿壁虎機器人的分析模型和設計中，團隊還將考慮其足端黏附機制，以賦予其良好的爬坡能力。

以上研究成果以“A Gecko-inspired Robot with a Flexible Spine Driven by Shape Memory Alloy Springs”為題，發表在Soft Robotics上。南京航空航天大學碩士研究生邱鎵輝為論文第一作者，南京航空航天大學吉愛紅教授和朱孔軍教授為論文共同通訊作者。該研究工作得到中國國家重點研發項目（2019YFB1309600）和國家自然科學基金（編號No. 51861135306）的資助。

審核編輯 ：李倩