軟體機(jī)器人新進(jìn)展！高空纜繩攀爬機(jī)器人，僅110克卻能扛10倍自重

在城市上空、偏遠(yuǎn)山野間，架起的高壓電纜、吊橋鋼索、通信塔纜繩構(gòu)成了現(xiàn)代社會(huì)的“生命線”。這些延伸至高空偏遠(yuǎn)區(qū)域的基礎(chǔ)設(shè)施，需要定期巡檢維護(hù)以避免故障，但人工操作往往要直面高空墜落、高壓觸電、電磁干擾等致命風(fēng)險(xiǎn)，不僅效率低下，成本也居高不下。

自動(dòng)化檢查機(jī)器人能夠顯著提升作業(yè)安全、降低運(yùn)營成本并提高效率。然而，現(xiàn)有的纜索攀爬機(jī)器人多為剛性設(shè)計(jì)，往往存在重量大、負(fù)載能力有限、難以適應(yīng)不同纜索直徑或彎曲等問題，且在電磁干擾環(huán)境中可靠性不足。有沒有一種機(jī)器人，能像昆蟲一樣輕盈地爬行在纜繩上，自主完成巡檢、維修甚至運(yùn)輸？最近，一項(xiàng)融合了仿生學(xué)與折紙藝術(shù)的研究給出了亮眼的答案。

▍設(shè)計(jì)靈感與核心概念

本研究提出的機(jī)器人解決方案，其核心靈感來源于仿生學(xué)與折紙藝術(shù)的結(jié)合。運(yùn)動(dòng)模式借鑒了毛毛蟲的“錨定-爬行”步態(tài)，即通過身體節(jié)段的交替伸縮與固定來實(shí)現(xiàn)前進(jìn)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)則采用了克雷斯林折紙圖案。這種折紙結(jié)構(gòu)在氣壓驅(qū)動(dòng)下能夠產(chǎn)生顯著的軸向伸縮變形。

攀爬纜索機(jī)器人的設(shè)計(jì)與工作原理

更重要的是，通過調(diào)整折紙單元的幾何參數(shù)（如三角形板邊的比例），可以設(shè)計(jì)出具有不同機(jī)械特性的執(zhí)行器：一種是單穩(wěn)態(tài)，能夠平穩(wěn)連續(xù)地變形；另一種是雙穩(wěn)態(tài)，具有兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，能在無需持續(xù)能量輸入的情況下保持特定形態(tài)，并實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的快速切換。

機(jī)器人由一個(gè)身體機(jī)構(gòu)和兩個(gè)腿部機(jī)構(gòu)構(gòu)成，總重約110克。身體機(jī)構(gòu)由兩個(gè)并聯(lián)的單穩(wěn)態(tài)折紙執(zhí)行器組成。它們?cè)跉鈮候?qū)動(dòng)下可平滑地伸縮，為機(jī)器人提供前進(jìn)動(dòng)力，同時(shí)其固有的柔順性使機(jī)器人能被動(dòng)適應(yīng)纜索的各種彎曲形態(tài)。

折紙執(zhí)行器的設(shè)計(jì)與性能評(píng)估

每個(gè)腿部機(jī)構(gòu)包含四個(gè)雙穩(wěn)態(tài)折紙執(zhí)行器，共同驅(qū)動(dòng)一對(duì)末端抓爪。雙穩(wěn)態(tài)特性使得抓爪的“抓緊”與“松開”動(dòng)作迅速，并且能在斷電或斷氣的情況下保持抓握狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了自鎖功能，增強(qiáng)了安全性。

為了適配不同直徑的纜繩，機(jī)器人的腿部還配備了可拆卸的模塊化導(dǎo)向環(huán)。這些導(dǎo)向環(huán)有不同的內(nèi)徑，能讓機(jī)器人穩(wěn)定抓握略小于環(huán)內(nèi)徑的纜繩，再配合爪子的開合能力，最終實(shí)現(xiàn)了從小于1毫米到32毫米的超寬直徑適配范圍。如果需要攀爬更粗的纜繩，只需增加腿部執(zhí)行器內(nèi)的折紙單元數(shù)量，就能擴(kuò)大爪子的開口幅度。

▍工作原理與運(yùn)動(dòng)過程

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)基于協(xié)調(diào)控制三個(gè)獨(dú)立的氣動(dòng)回路：前腿機(jī)構(gòu)、后腿機(jī)構(gòu)和身體機(jī)構(gòu)。一個(gè)完整的爬行步態(tài)周期包含三個(gè)主要階段：

初始狀態(tài)：前后腿機(jī)構(gòu)均處于抓握狀態(tài)，將機(jī)器人錨定在纜索上。

身體伸展與前腿前進(jìn)：前腿機(jī)構(gòu)充氣，抓爪松開纜索；隨后身體機(jī)構(gòu)充氣伸展，推動(dòng)已松開的前腿沿纜索向前移動(dòng)；接著前腿機(jī)構(gòu)放氣，抓爪重新抓緊纜索。

身體收縮與后腿跟進(jìn)：后腿機(jī)構(gòu)充氣，松開抓爪；隨后身體機(jī)構(gòu)放氣收縮，拉動(dòng)已松開的身體和后腿向前移動(dòng)；最后后腿機(jī)構(gòu)放氣，抓爪重新抓緊纜索。

機(jī)器人在直線上的動(dòng)作

機(jī)器人在彎曲鋼索上的運(yùn)動(dòng)

通過循環(huán)這一過程，機(jī)器人得以在纜索上步進(jìn)爬行，實(shí)測最大步幅可達(dá)其自由體長的81%。

▍性能特點(diǎn)與測試結(jié)果

這款折紙軟機(jī)器人的性能，在實(shí)際測試中交出了亮眼的答卷。首先是它的核心攀爬能力，不僅能適配超寬范圍的纜繩直徑，還能在不同直徑的纜繩之間自由過渡——從0.5毫米的細(xì)纜爬到32毫米的粗纜，全程平穩(wěn)無卡頓。

在復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性上，它也表現(xiàn)出色。研究人員對(duì)不同表面狀態(tài)的纜繩進(jìn)行了測試，包括未處理、帶污漬、油膩和結(jié)冰的纜繩，結(jié)果顯示，即使在最光滑的結(jié)冰纜繩上，它也能以10.8毫米/秒的速度爬行。面對(duì)突出的障礙物，它能借助爪子外側(cè)的彎曲法蘭，配合身體的推力輕松翻越，最大能跨越6.8毫米高的障礙，足以應(yīng)對(duì)纜繩上的連接件、污漬結(jié)塊等常見阻礙。

負(fù)載能力是它的最大亮點(diǎn)之一。在垂直的30毫米直徑纜繩上，它能承載超過自身重量10倍的負(fù)載——也就是說，這個(gè)110克的“小家伙”，能扛起1.2公斤的重物穩(wěn)定攀爬。測試中，它成功攜帶30克負(fù)載爬過0.5毫米的細(xì)纜，也能帶著1公斤的重物征服32毫米的粗纜，完全滿足攜帶檢測儀器、維修工具的實(shí)用需求。

機(jī)器人垂直電纜的載荷能力

更值得一提的是它的安全性和可靠性。由于主體材料是絕緣的彈性體和聚合物，且采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，它完全不受高壓電線的電磁干擾，能在超高壓電纜環(huán)境中安全工作。腿部的雙穩(wěn)態(tài)自鎖特性，讓它即使在突然斷氣的情況下，也能牢牢固定在纜繩上，不會(huì)墜落引發(fā)二次事故。經(jīng)過10000次的反復(fù)伸縮測試，它的身體執(zhí)行器位移基本保持不變，證明了其穩(wěn)定的耐久性。

攀爬機(jī)器人的潛在應(yīng)用

▍未來可期：從系繩到自主，解鎖更多可能

當(dāng)然，這款機(jī)器人目前還存在一些局限。比如它現(xiàn)在需要通過氣管連接外部氣源和控制系統(tǒng)，系繩限制了它的活動(dòng)范圍；目前的爬行狀態(tài)需要機(jī)載攝像頭監(jiān)控，無法自動(dòng)判斷腿部是否穩(wěn)固抓握纜繩；性能測試多在靜態(tài)環(huán)境中進(jìn)行，尚未接受真實(shí)戶外復(fù)雜環(huán)境（如風(fēng)雨、溫度變化）的考驗(yàn)。

針對(duì)這些問題，研究人員已經(jīng)規(guī)劃了未來的改進(jìn)方向：將壓縮空氣和控制單元集成到機(jī)器人身上，實(shí)現(xiàn)無系留自主攀爬；在腿部加裝壓力傳感器，讓機(jī)器人能自動(dòng)檢測抓握狀態(tài)，提升運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性；在真實(shí)戶外環(huán)境中開展測試，優(yōu)化其抗干擾能力和環(huán)境適應(yīng)性。