登《npj Robotics》！NASA聯(lián)合國際高校打造“劈冰鎬”機器人

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。

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(shù)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。

-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(shù)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(shè)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：

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。

整個過程僅由一個直流電機完成，結(jié)構(gòu)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(shè)計至關(guān)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(jié)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(shù)在實際環(huán)境中的可行性。

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。

這種多材質(zhì)適應(yīng)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(lǐng)域都具有應(yīng)用潛力。

05.

未來：攀爬土衛(wèi)二的“冰火噴口”

目前，這項技術(shù)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(yīng)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(shù)最具想象力的應(yīng)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(jié)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(shè)計開辟了一條“低壓力、低能耗、高適應(yīng)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