履帶「蜘蛛俠」垂直爬上爬下

電影《蜘蛛俠》里的主人公彼得?帕克可以讓自己的手腳，利用類似靜電的原理吸附到任何堅固的表面上，自由穿行於高樓大廈，救人於危難之中。在現實生活中，一部可以在光滑的垂直牆壁上悄無聲息、自由運動的機器人也能發揮「蜘蛛俠」的作用，來自北京航空航天大學的兩位大學生正在讓這樣的「蜘蛛俠」變成現實。

他們通過獨創的靜電吸附薄膜裝置產生電場和吸附力，通過機體帶動薄膜從而實現機器人的履帶式垂直運動。這位機器人「蜘蛛俠」能耗不到手機的五十分之一，卻能夠輕鬆負重3公斤的裝備，在反恐偵察、建築清潔探傷等領域應用廣泛。在今年的北航第二十七屆「馮如杯」競賽上，該發明獲得了科技類項目的一等獎。記者了解到，學生們已經帶著機器人投身創業實踐，警方也已經對「蜘蛛俠」的應用表達了濃厚的興趣。

發明「蜘蛛俠」

靈感緣於壁虎

汪海濤、徐紹宸是這部「蜘蛛俠」的發明者。兩人都是北航自動化科學與電氣工程學院的大三本科生。談及發明的緣由，汪海濤說這緣於自己小時候對於壁虎的觀察。汪海濤是遼寧瀋陽人，去瀋陽動物園觀察各種動物是他從小就有的愛好。在一趟趟的動物園之行中，他對壁虎產生了濃厚的興趣，「它的每條腿都是一個獨立的『吸盤』，能牢牢攀附住牆面，敏捷、快速地移動，人類要是也有這項技能該多好。」他當時心裡想。

2014年汪海濤考入北航，在沙河校區他認識了從北京通州潞河中學畢業的徐紹宸。倆人都在一個名為「自動控制協會」的社團里，並且是「不打不相識」。「大二時協會舉辦了一場足球機器人比賽，我們都拿著自己的作品參賽，最後他奪冠了，我拿了第三。」徐紹宸笑道。兩人雖處一個學院，但術業各有專攻。汪海濤讀的是機械電子工程專業，偏弱電方向；徐紹宸讀的是電氣工程專業，偏強電方向。

促使兩人「強強聯合」的就是這屆「馮如杯」比賽。去年11月份賽事啟動，汪海濤馬上想到了動物園裡那隻飛速爬行的小壁虎，想試著做一款利用電吸附技術的爬行機器人。「要讓電產生吸引力，必須有足夠高的電壓，我需要有一位對電場建模、理論分析都比較擅長的小夥伴來一起干。」他想到了徐紹宸。帶著這個想法，汪海濤連夜跑去敲開了徐紹宸宿舍的門。

自主製備出

高分子導電材料

聽完汪海濤的描述，徐紹宸第一反應是「大膽而又誇張」。他起初並不相信動物世界的奧秘，能夠被他們兩名本科生輕易地揭示並加以利用。「老師說過，在機電領域，宏觀的作用力主要是靠磁力來實現的，比如幾乎所有電動機里都有磁鐵；靠電場來產生的吸引力只出現在微米級的環境下，並且吸引力非常微弱，這項技術也非常前沿，此前只在航空尖端領域有所應用。」徐紹宸對記者說，他當時並不相信他倆有這個能耐。

到底行不行？不如試一試。去年11月下旬他倆從網上買了一卷可以導電的鋁箔，裁剪下A4紙大小的兩張，分別通上了4000伏的電壓。奇蹟發生了，通了電的兩張鋁箔相隔近1厘米，竟然牢牢吸附在了垂直的紙箱板上。電場產生吸引力，是可以實現的！兩人信心大增。

光靠這兩片鋁箔產生的吸引力來做機器人顯然還遠遠不夠。汪海濤和徐紹宸發現，兩片鋁箔相隔的間距不同，吸附效果大相徑庭：距離太近通電後極易短路擊穿，太遠則吸附力微乎其微。

一定要找到最穩定的通電結構、最佳的電路間距，他們想到了柔性電路板。徐紹宸說，我們日常使用的手機裡面的「排線」，就是一種典型的柔性電路板，它的導電穩定性要遠遠好於鋁箔。怎樣的電路間距才是最佳？他們進行了長達兩個月的反覆測試，從去年11月一直到今年1月底，終於發現了7比3的黃金比例――通電線路寬約7毫米，電路之間間隔3毫米，這樣能實現最佳的吸附力，同時短路擊穿的風險也大大降低。

這張柔性電路板就構成了「蜘蛛俠」的最早履帶，將它鋪裝在機械架構上，通電後吸附在牆面上，整個「蜘蛛俠」最多可以掛住5瓶礦泉水，「在大理石面上吸附效果最好，泥灰牆因為不夠平整，效果最差，只能掛住3瓶礦泉水。」汪海濤並不滿足，不只是因為吸附能力還不夠，還有這種柔性電路板內的電路是由石墨材料製造的，在一些特殊環境下，石墨粉也會析出，漏電導致電路擊穿。

在接近成功的時候，他們又開始尋找新的材料。經過反覆試驗。今年4月份，汪海濤成功地自主製備出一種高分子導電材料。將這種材料塗裝後製備出的柔性電路板，既具有超強的穩定性，又具備強大的垂直壁面吸附能力。

一塊手機電

可工作一整天

在剛剛過去的這個周末，記者在北航老主樓的實驗室見到了這位履帶「蜘蛛俠」。它大小接近三張A4紙，酷似一輛擁有超低底盤的坦克，拖著兩根長長的尾巴。「整個底盤就是那張可以通電的薄膜，」徐紹宸邊說邊把機器人放在了牆壁上，接通電源，機器人立即靈活地向上爬行，記者往下用力拉了幾下，都沒能阻擋它前進的「腳步」，並且整個運動過程幾乎沒有聽到任何聲音。「目前我們設定的運行速度是0.2米/秒，但它的最快移動速度可達每秒1至2米。」徐紹宸介紹。

在製備技術攻堅克難的階段，徐紹宸對整個電路、設備外觀的設計、完善也在有條不紊地進行。他們特意在機器人的「屁股」上加裝了那兩根如同天線的「尾巴」。徐紹宸說，有了這兩根「尾巴」，「蜘蛛俠」負重翻滾所需要的軸距就增加了一倍，這對於增強「蜘蛛俠」在牆面上的平衡能力至關重要。

兩人告訴記者，整個機器人的設備能耗僅不到20毫瓦，不到手機的五十分之一，更是傳統垂直壁面移動機器人的千分之一。他們還給機器人配置了微型化的鋰電池。一塊500毫安的電池，可以讓機器人持續工作長達6個小時。如果是數千毫安的普通智能手機電池，更可以讓機器人持續工作一整天。

憑著這台垂直表面移動機器人，汪海濤、徐紹宸拿到了本屆北航「馮如杯」科技競賽機電控制組的一等獎。在研發過程中他們一共申請了三項專利，分別是機械設計、通電吸附薄膜製備以及製備薄膜的設備，但對於履帶「蜘蛛俠」的改進還遠遠沒有停止，他們未來的目標是實現一張A4紙大小的機器人可以負重2千克的裝備。

在如今大眾創業、萬眾創新的氛圍下，他們也已經帶著「蜘蛛俠」開啟創業孵化。記者了解到，已經有一些地方的警方部門對於這款靜電吸附垂直表面移動機器人表達了濃厚的興趣，提出可以一起合作，鼓勵他們進一步研發。

本報記者張航 文並攝J067

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