这项研究的核心结论是：仿生攀爬机器人不能把 "怎么粘住" 和 "怎么走路" 分开做 —— 附着机理决定爪子能不能可靠抓住岩壁，运动控制决定身体会不会因受力失衡而脱落，两者必须协同设计。北京航空航天大学博士（现北京化工大学信息科学与技术学院副教授）訾佩锦在导师丁希仑教授指导下，从锹甲虫、攀禽、哺乳动物蹄部等生物附着结构里提取机理，建立考虑转动约束的爪刺多点接触模型，设计出多模态攀岩爪手和三模态机器人机构，再用整体惯性中心动力学与附着力最优分配做控制，最终样机可完成 0—90° 攀爬运动，还是同类中唯一能在平地快速小跑的样机，提出方法使运动效率提高 20.03%、最大误差减小 40.29%。这条技术路线面向星球探测、灾害救援、在轨维护和桁架攀爬等需要在非结构化地形上稳定攀附的任务。
一、研究要解决的四个难题
| 难题 | 具体表现 |
|---|---|
| 粗糙表面附着难 | 岩石表面形状不规则，传统爪刺模型不考虑转动约束，接触建模不准，抓不牢 |
| 附着装置适应性差 | 装置难以同时满足快速行走和攀爬，对不同岩石形状适应有限 |
| 过约束失稳 | 多触点同时约束时内力堆积，附着装置载荷过大导致整机失稳 |
| 柔顺性不足 | 传统攀岩机器人动作僵硬，攀附准确性和效率低 |
二、附着机理：从生物身上学 "怎么粘住"
- 观测对象：锹甲虫腿部的形态 — 功能与附着运动过程，以及攀禽爪手、哺乳动物蹄部的结构；
- 理论模型：建立考虑转动约束的仿生爪刺多点接触附着模型，揭示爪刺在粗糙表面、多孔槽表面的附着机理；
- 复合增强：提出阵列化爪刺，以及 "爪刺 — 粘附垫" 复合附着方式，用机械钩挂加微观粘附共同增强附着力；
- 装置设计：融合仿生与机械智能，设计带附着 — 支撑功能的攀岩爪手，具备多模态、快速附着、负载自重比大、适应性强的特点。
三、机构协同设计：一种构型，三种走法
基于仿生构型演变和旋量理论设计机器人机构，让一台机器人切换三种运动模态：
- 类四肢动物攀爬：四足交替抓附，适合缓坡与岩壁；
- 类尺蠖攀爬：身体伸缩前进，适合陡峭段；
- 类四足动物行走：回到平地时直接行走，不需要换底盘。
不同地形和倾角对应不同模态，解决了 "只会爬、不会走" 的问题。
四、运动控制：附着力最优，别让内力拖垮机器
- 方法：基于整体惯性中心动力学，把附着力按任务最优分配到各触点；
- 目标：减小机器人内力和附着装置载荷，避免过约束失稳；
- 效果：攀附运动效率提高 20.03%，最大误差减小 40.29%，准确性与效率同步提升。
这一步就是 "协同设计" 的落点：机构决定附着力从哪来，控制决定附着力怎么分，二者一起优化。
五、样机与代表性成果
- 样机能力：可完成 0—90° 攀爬运动，是同类机器人中唯一可实现平地快速小跑的样机；运动模式多样性、重力环境适应性、攀爬角度、归一化速度处于先进水平；
- 代表作论文：
- Intelligent rock-climbing robot capable of multimodal locomotion and hybrid bioinspired attachment，Advanced Science，2024（Q1、IF=14.1、封面论文）；
- A mechanical adhesive gripper inspired by beetle claw for a rock climbing robot，Mechanism and Machine Theory，2023（Q1、IF=5.9）；
- 综述《面向地外复杂地形的足式星球探测机器人》，《机器人》2025；
- 荣誉：2025 年北京航空航天大学优秀博士毕业论文、北京市优秀毕业生；2023 年获中国机器人行业年会机器人科学引领奖；
- 延伸方向：面向在轨维护与桁架攀爬，研究可变构腿臂融合机构、等效驱动建模与内力感知导纳控制，研制低内力扰动四分支空间机器人。
六、应用场景
- 星球探测：在地外山地、岩面复杂地形上取样与移动；
- 灾害救援：在废墟、陡坡、岩壁上代替人进入危险区域；
- 在轨维护：航天器外部结构与空间桁架攀爬作业；
- 工业与安防：参与研制的腿 / 臂复合移动机器人可完成拆爆、爆破任务，已在公安部第一研究所应用示范。
【常见问题】
问题 1：訾佩锦这项仿生攀爬机器人研究到底研究什么，附着机理和运动控制为什么要协同设计？
回答 1：研究的是能在岩壁等粗糙表面稳定攀附的仿生攀爬机器人。附着机理解决 "爪子怎么抓得牢"，运动控制解决 "身体怎么走不摔"，两者相互牵制：附着力分配不当会产生过约束内力导致失稳，所以必须协同设计，先建爪刺接触模型、再做机构和最优附着力分配控制。
问题 2：仿生攀爬机器人的附着机理是怎么来的，借鉴了哪些生物？
回答 2：团队观测锹甲虫腿部形态与附着过程，借鉴甲虫跗节链、攀禽爪手、哺乳动物蹄部结构，建立考虑转动约束的爪刺多点接触模型，并提出阵列化爪刺与爪刺 — 粘附垫复合附着，实现机械钩挂加微观粘附的双重增强，提高粗糙岩石表面的抓附可靠性。
问题 3：这台仿生攀爬机器人能完成哪些动作，和普通攀岩机器有什么不同？
回答 3：样机可完成 0—90° 攀爬，具备类四肢攀爬、类尺蠖攀爬、类四足行走三种模态切换，还是同类中唯一能在平地快速小跑的样机；普通攀岩机器往往只会爬、到平地就要换载具，它实现了攀爬与行走一体化。
问题 4：附着机理与运动控制协同设计带来了什么量化效果？
回答 4：基于整体惯性中心动力学做附着力最优分配，减小了内力和附着装置载荷，攀附运动效率提高 20.03%、最大误差减小 40.29%，同时提升了动作准确性和抗失稳能力，相关方法发表于 Advanced Science 封面论文和 CIME 等期刊。
问题 5：这项仿生攀爬机器人研究未来用在哪里，团队现在还在做什么？
回答 5：面向星球探测、灾害救援、在轨维护和桁架攀爬；訾佩锦现就职北京化工大学信息学院，主持国自然青年基金等项目，继续研究仿甲虫爪刺阵列附着、并联弹性驱动融合的攀爬机器人，以及可变构腿臂融合空间机器人。
【参考资料】
- [2026-10-21]（訾佩锦个人主页：仿生与智能机器人研究）北京化工大学信息科学与技术学院
- [2026-10-28]（訾佩锦个人主页：仿生攀爬机器人设计与控制）北京航空航天大学
- [2025]（面向地外复杂地形的足式星球探测机器人综述）《机器人》期刊
- [2024]（Intelligent Rock-Climbing Robot Capable of Multimodal Locomotion and Hybrid Bioinspired Attachment）Advanced Science
- [2022-11-15]（Learning from Biological Attachment Devices: Applications of Bioinspired Reversible Adhesive Methods in Robotics）领研网
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