近日,NASA聯(lián)手加州大學伯克利分校(UC Berkeley)打造了一款“低壓力、低能耗”的冰面錨定機器人,未來或能攀爬南極地區(qū)的噴冰口。
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在光滑、起伏的冰面上站穩(wěn),對人類登山者來說或許只是幾記冰鎬的事,但對機器人而言,這卻是一項長期未能攻克的難題。
近日,來自加州大學伯克利分校與NASA噴氣推進實驗室(JPL)的研究團隊在《npj Robotics》 上發(fā)表了一項研究成果,展示了一種全新的冰面錨定方式:沖擊+抓握。這項技術讓機器人能夠像登山者一樣,用“劈”的方式在冰面制造凹痕,再利用抓握形成牢固錨點。
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-14℃淡水冰面上,初始壓縮力低至8.3N、綜合機械勢能僅8 J,就能穩(wěn)穩(wěn)抓住冰面,還能輕松切換樹干、巖石、壓實土壤等地形,直接把冰面錨定技術的能耗和所需壓力卷到了新高度。
01.
為什么要在冰面上站穩(wěn)?
研究團隊的目標場景并非地球上的冰川,而是土衛(wèi)二“恩克拉多斯”。這顆冰封衛(wèi)星表面重力僅為地球的1%,但其活躍的冰火噴口卻直通地下液態(tài)水海洋,被視為太陽系中最具生命潛力的天體之一。
然而,要在這種低重力、高噴流的環(huán)境中實現(xiàn)機器人攀爬,傳統(tǒng)手段都存在問題:冰螺釘需要50–200 N的初始壓入力,相當于在地球上壓住一個200公斤的物體;熱熔錨雖初始力低(6.5–40 N),但單次錨定能耗高達~1000 J,對能量極度受限的深空探測器而言幾乎不可接受。
因此,團隊的目標很明確:既要初始力低,又要能耗小,還要錨得牢。
02.
靈感來自登山者的冰鎬
如果你看過人類冰攀,一定對登山者揮舞冰鎬、劈入冰面的場景印象深刻。研究團隊的靈感正來源于此。
他們設計了一款雙冰鎬夾持器。兩個冰鎬對稱布置在透明框架內(nèi),各自配重平衡,由同一臺電機通過凸輪和絲杠驅(qū)動,既能儲能釋放,又能向心抓握,完成了人類登山者用兩只手才能做的事。整個錨定過程分為6個階段:
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儲能:兩個冰鎬分別由扭簧驅(qū)動,每個彈簧儲存4 J的能量;
沖擊:釋放彈簧,冰鎬尖端以約2.5 m/s的速度沖擊冰面,形成約1 cm深的凹痕;
抓握:同一執(zhí)行器驅(qū)動冰鎬向心夾緊,增強錨定力;
承載:機器人完成錨定,可進行拉力測試或承受負載;
釋放:反向驅(qū)動,松開抓握力;
移除:將夾持器從冰面上提起,脫離接觸。
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整個過程僅由一個直流電機完成,結構緊湊,非常適合資源受限的機器人平臺。
03.
低至8.3N的初始力,8J的能耗
在實驗室中,研究團隊對-14℃淡水冰進行了系統(tǒng)測試。
最小成功錨定的初始壓入力僅為8.3 N;總儲能8 J,僅為熱熔錨能耗的1/125;在抓握力為175 N時,錨定強度達到75 N,超過夾持器自重的2倍。
但抓握力并非越大越好。實驗發(fā)現(xiàn),當抓握力超過180 N時,冰面會出現(xiàn)斷裂失效,錨定強度反而下降。最佳抓握區(qū)間為100–175 N,這一發(fā)現(xiàn)對后續(xù)控制策略設計至關重要。
有意思的是,溫度對錨定強度影響也很顯著。在-20℃的冰面上,同一夾持器的錨定強度飆升至163 N,是自重的5倍還多。
04.
在真實冰川上“掛住自己”
實驗室數(shù)據(jù)固然漂亮,但真正的考驗來自野外。研究團隊來到法國Mer de Glace冰川,在真實冰面上進行了懸吊測試。結果表明:
- 當初始壓入力超過16 N時,錨定成功率達100%;
- 在57°傾斜冰面上,夾持器成功承載自身重量;
- 在更松軟的firn(壓實雪) 上,錨定強度更高,達到101 N。
這些數(shù)據(jù)不僅驗證了模型的有效性,也證明了該技術在實際環(huán)境中的可行性。
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不止于冰,更令人驚喜的是,研究團隊還測試了該夾持器在非冰材質(zhì)上的表現(xiàn),它在樹干、巖石、土坡都能抓。
具體來說,樹干的錨定強度達103 N;在壓實土坡的錨定強度達90 N;在巖壁,利用現(xiàn)有粗糙特征,僅靠抓握即可實現(xiàn)錨定。
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這種多材質(zhì)適應性,使其在極端環(huán)境機器人、地質(zhì)采樣、甚至森林監(jiān)測等領域都具有應用潛力。
05.
未來:攀爬土衛(wèi)二的“冰火噴口”
目前,這項技術還不是完美的,團隊也坦言,后續(xù)還有不少優(yōu)化空間。比如,模型尚未涵蓋六維力作用下的錨定穩(wěn)定性;冰溫對錨定強度影響顯著,需建立溫度補償機制;實際攀爬機器人需要多個夾持器協(xié)同工作,系統(tǒng)級集成尚在推進中。
但這絲毫不影響它的應用前景有多廣闊。在地球,它能讓冰川冰洞探測機器人,在垂直冰洞壁上穩(wěn)穩(wěn)錨定采樣,讓極地科考的攀爬機器人實現(xiàn)更長距離的冰面移動。研究團隊指出,這項技術最具想象力的應用場景,正是土衛(wèi)二的南極噴冰口。那里表面重力極低、冰層厚達數(shù)十公里,任何能量浪費都不可接受,“沖擊+抓握”機制恰好契合了這一極端需求。
從登山者的冰鎬,到機器人的錨定夾持器,這項研究展示了仿生思維與工程力學的巧妙結合。它不僅為地外探測提供了一種全新的錨定方案,也為極端環(huán)境機器人設計開辟了一條“低壓力、低能耗、高適應性”的新路徑。
未來,我們或許真的能看到一個機器人,像登山者一樣,在土衛(wèi)二的冰壁上穩(wěn)穩(wěn)“掛”住,采下一捧可能蘊藏生命痕跡的冰樣。
論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s44182-026-00085-0#Abs1
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