我们身边，总藏着一些最古老的自然“发明家”。能在天花板上倒吊的壁虎，纤尘不染的荷叶，或是石缝里那身永远干爽、撞也撞不烂的弹尾虫。它们在亿万年的演化中，把爬行、飞行、防水、变形这些难题，一一解成了精巧的答案。我们看见的，是自然留下的智慧，也是人类向万物求教、不断重新认识世界的起点。

11月8日，中国国家地理大讲堂线下场《大自然的发明家》，我们将跟随三位研究者的讲述，从动物仿生、超疏水界面到流变机器人等不同维度，读懂这些自然的设计，也看人类如何以工程语言重新诠释它们。

01

动物仿生课

机器人能像蛇一样蜿蜒钻进狭窄管道，像壁虎一样在太空舱壁上飞檐走壁，还能像苍蝇一样在墙上说停就停、说走就走。这不是科幻电影，而是南京航空航天大学机电学院研究员吉爱红团队的真实研究。

能爬又能飞的“两栖机器昆虫” 图源/网络

传统工业机械臂力气大、精度高，却常常“一根筋”，进不了弯管、绕不开障碍。而像蛇、壁虎、苍蝇这些动物，早在人类出现之前，就把如何运动这件事玩到了极致。

从下方看壁虎的小脚丫似乎开了花。图源/youtube

要把这套本事学到手，机器人得连闯三关。

第一关，是“怎么在墙上站住”。壁虎的脚底长满数亿根刚毛，每根末端又分出几百根更细的绒毛，最细处只有头发丝的上万分之一，能严丝合缝地贴合墙面。当物体贴得足够近，分子之间就会产生天然的吸引力。单根绒毛的吸力微乎其微，亿万根一起发力，就足以把壁虎稳稳吊在天花板上。

壁虎吊在天花板上，还能打个架！ 图源/Wikipedia

壁虎的jiojio 图源/cosmosmagazine.com

抬脚时，只要像撕胶带一样掀起脚掌，吸力便会大幅减弱，墙上也不留痕迹。受此启发，吉爱红团队研制的仿壁虎机器人，一个就能吊起三十多斤重，撕下来却几乎不费力气！

仿壁虎机器人微重力环境捕获实验 图源/国际仿生工程学会

第二关是 “怎么飞“。苍蝇最了不起的不是飞得快，而是 “刹车”：前一刻还在高速飞行，下一刻就稳稳停在墙上，减速、转向、贴附一气呵成。吉爱红团队研制的两栖机器昆虫长着扑翼、又装了旋翼：扑翼让它灵活飞行，旋翼在靠近墙面时把身体轻轻 “按” 在墙上。无论是玻璃、木门、大理石还是粗糙树干，它都能说停就停，说走就走。

两栖机器昆虫在木门表面的飞行-着陆 图源/网络

两栖机器昆虫在各种竖直壁面上的着陆-爬行-起飞 图源/Research

能飞会爬，那最后一关就是 “怎么钻进弯弯曲曲的缝隙”了。这种地方连翅膀都展不开、腿都成了累赘，在大自然中，蛇给出了最优雅的答案。蛇的脊椎由上百节骨头串联，每节只能转动一点点，累加起来便弯出流畅的 S 形。

蛇最常见的蜿蜒运动 图源/网络

放在机器人身上，假如给每个关节都装上电机，手臂会又粗又笨。吉爱红团队的巧思是 “分层驱动”：电机全部放在手臂末端，用钢丝绳像肌腱一样牵引。电机一转，就能同时牵动多根钢丝绳，让一节里的几个关节同步弯曲。未来，它将钻进核聚变装置、航空发动机和工业管道，由人遥控完成那些看不见、够不着的检测与维护。

连续体仿蛇形机器人构型设计通过模拟蛇的运动形态设计连续体机器人 图源/Soft Robotics

仿生学所做的，是读懂这些自然的设计，再用工程语言重新讲出来。

02

不湿的“界面”

撕开酸奶盖，上面总挂着一层酸奶，舔还是不舔？雨天出门，裤脚甩满泥点。倒番茄酱时，瓶里的酱总赖着不肯出来……这些小事都指向同一个问题：液体为什么爱“粘”在东西上？

解题的钥匙之一，就藏在“疏水”技术里。1805年，科学家托马斯·杨用“接触角”描述水与固体的关系：水滴在表面趴得越平，越亲水；缩成小球、滚得越欢，越疏水。

一滴水的两种形态。水滴在表面趴得越平，越亲水；缩成小球、滚得越欢，越疏水。图源/董智超

大自然早把这门手艺玩到了极致。荷叶“出淤泥而不染”，秘密不只在蜡质层，更在显微镜下密密麻麻的微纳米复合结构：蜡质让表面“不亲水”，微纳米结构把水托成珠子；珠子滚过，顺便带走灰尘，这就是“荷叶效应”。

荷叶出淤泥而不染 图源/网络

鹅用尾脂腺油脂涂抹羽毛来拒水；企鹅羽毛能留住一层空气，入水时帮助减阻、保温，也是同理。

让中国科学院理化技术研究所研究员董智超着迷的，是一种不起眼的小虫子——弹尾虫。它在潮湿泥泞的石缝里生活了四亿年，能跳到身高的约200倍，体表却始终干爽、撞不烂。显微镜下，它体表覆盖着蘑菇状微结构和纳米脊线，像一身天生的“防沾水盔甲”。

弹尾虫 图源/中国科学院理化技术研究所

董智超所在的团队给出的方案叫MARS——“分子组装稳健超疏水壳层”。通过一步法，二氧化硅在纤维表面原位 “长” 出有序纳米壳。关键就在 “原位” 二字。传统工艺是把疏水颗粒事后附着在纤维表面，像往馒头上撒面粉，浮于表层、一洗就掉；而 MARS 的增强层是跟 “面团” 一起长出来的，界面结合成一体，因此耐水洗、不易脱落。

仿生灵感与MARS修饰工艺。 a,弹尾虫；b,弹尾虫表皮SEM图像；c,MARS处理加捻纱线；d,处理后纱线的SEM图像；e,水滴在经MARS修饰后的单根纱线上保持接触角约160° 图源/中国科学院理化技术研究所

除冲锋衣、帐篷等户外装备外，MARS的应用空间还很广：用于医用防护服，可抵御血液和体液飞溅；用于特种军服，能在恶劣环境下兼顾轻便、防水与透气；在柔性可穿戴设备、航空航天防结冰等前沿领域，同样大有可为。

为全面评估MARS织物的耐用性，研究团队开展了一系列系统性测试，图为动态防水性能测试。图源/董智超

目之所及，皆为界面。当微观世界的精巧结构走进日常材料，那些看似琐碎的烦恼，便会在一次次 “向万物求教” 中被悄悄解开。

03

会流动的机器人

大家是不是都以为机器人都长得像擎天柱？铜头铁臂，齿轮咔咔作响，走起路来威风凛凛。工厂里的机械臂、家里的扫地机器人，好像也都是硬邦邦的金属壳子。

可如果告诉你，世界上有一种机器人，没有齿轮，也没有电机，主体是一团柔软的、半透明的“果冻”状材料，能像水滴一样流动，能缩成球，能穿过窄缝再恢复原样。你敢信吗？

时而蜷缩成球，时而伸展成条，仿照阿米巴虫自如地进行变形运动。图源/北京交通大学

它，就是“流变机器人”。

这位“机器人界的另类”，其实请教了一位不起眼的“生物老师”。它就是变形虫，也叫阿米巴虫。

溶组织内阿米巴（Entamoeba histolytica）正在攻击人类白细胞 图源/Katherine Ralston

显微镜下的变形虫，没有骨头，也没有手脚，却可能是地球上最灵活的生物之一。它的原生质能在“液态”和“固态”之间自由切换。想往前走，身体前端就化成可流动的“溶胶”，像伸出一只临时的脚，科学家叫它“伪足”；后端则凝固成“凝胶”，把身体固定住。一松一紧，一流一凝，它就这么“流”着去想去的地方。

变形虫伸出伪足的捕食瞬间 图源/网络

那么，能不能给机器人也造一副这样的身体？北京交通大学的李振坤团队，把这个想法推向了现实，首次提出“流变机器人（Rheobot）”概念，还发明了一种“磁控流变记忆材料”。

在磁性液体中加入纳米级磁性颗粒，再用二维纳米材料像搭脚手架一样把它们支起来。平时它是能随意流动的液体；一施加磁场，颗粒排成整齐的“柱子”，材料迅速凝固；撤掉磁场，它还能保持一段时间这个状态，而且整个过程可以反复逆转。想流就流，想硬就硬。

李振坤团队自主研发的磁控流变记忆材料 图源/北京交通大学

机器人的外部由水凝胶材料制成，对应变形虫的细胞膜；内部则由磁控流变记忆材料构成，对应细胞质。科学家用线圈阵列产生磁场，精确控制身体哪个部位“凝固”、哪个部位“流动”，它就能像变形虫一样伸出伪足、蜷曲伸展，甚至把物体“吞”进身体再带到别处。

流变机器人（吞噬）图源/李振坤

这一切靠的是4D打印。把“何时变形、如何变形”像写代码一样预设进材料和结构中，最快10分钟就能打印出一个原型。

北京交通大学团队自主研发的Mag 4D系列4D打印机 图源/北京交通大学

可别小看这团“果冻”。未来，它可能被吞进胃里，像创可贴一样贴在胃溃疡创面上；也可能进入血管，爬到血栓处溶栓。在癌症相关研究中，携带抗体的流变机器人已在动物实验中实现对癌细胞的识别，并正在探索将其杀死的可能。

看似柔软的身躯里，往往藏着硬核的智慧。这团会流动的“果冻”告诉我们，真正的强大未必是铜头铁臂，也可以像水一样，因势而动，以柔克刚。

对仿生、机器人、材料感兴趣的朋友们

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撰文：王好一

责任编辑：王好一

审校编辑：郭祎

制图：朱浩