6 月 4 日訊息，近日，一個不使用吸盤結構、也沒有粘性介質的攀爬機器人引起了外國媒體的關注。這種機器人的電機通過振動，會產生 1 層不到 1 毫米的氣膜。憑藉這層氣膜對光滑表面的吸附，機器人可以在牆面或者天花板上活動，還能負載大約一罐汽水的重量。相比其他的攀爬機器人，該機器人重量更輕，成本和功耗也更低，在高空作業中具有很大的應用空間。

該研究由美國加州大學聖地亞哥分校仿生機器人設計實驗室（Bioinspired Robotics and Design Lab）完成，發表在美國頂級學術出版商 Wiley 旗下的 Advanced Intelligent Systems 期刊，論文名稱為《振動產生的氣體潤滑使機器人粘附（Gas-Lubricated Vibration-Based Adhesion for Robotics）》。

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一、藉助低壓氣膜，完成低功耗附著

隨著機器人技術的不斷髮展，目前已有多種機器人具備可控粘附能力，也就是機器人可以選擇性地附著或脫離牆體等表面的能力。這些方法往往依賴於機器人與表面之間的氣動、電磁或幹纖維等。

本論文作者稱，雖然這些方法比較有效，但是這些機器人通常需要沉重、高耗能的元件才能實現可控粘附。

為此，美國加州大學聖地亞哥分校的研究人員們希望開發出一種重量更輕、功耗更低的粘附裝置，可以使機器人在不適合人類的環境下進行檢查、維修、監視和探索等任務。

▲靠氣膜粘附的機器人

在談到設計思路時，研究人員稱，考慮到機器人在光滑表面的移動，非接觸或輕接觸（即機器人不直接粘附表面）模式較為有利。之前的一些研究大多選用電磁粘附，其粘附力較強、功耗較低，但是也存在很多問題。

具體來說，電磁粘附的效能在粗糙的表面會有所下降，也更容易在粘合介面上積聚灰塵。此外，電磁粘附需要高電壓工作，使其便攜、安全和小型化有很大的挑戰。

最後，研究人員選擇了偏心轉子馬達（ERM）作為機器人的吸附裝置。這種電機可以帶動 1 個直徑 14 釐米的軟盤產生 200Hz 的振動。藉助這種振動，機器人和表面之間會產生一層幾百微米的低壓氣膜，為機器人提供足夠的附著力。

二、機器人可負載 3.8N 物品，或在豎直曲面移動

在選定粘附方式後，研究人員構建了兩個系統。一個是振動源和軟盤組成的粘附系統，主要研究通過氣膜進行粘附的機制；另一個則是驅動裝置，為機器人提供平穩的移動。

▲機器人兩部分拆解圖

在完成理論設計後，研究人員將兩個系統組合起來，分別進行了有效負載、垂直移動和曲面移動三項測試。

第一個實驗有效負載實驗，展示了該機器人在倉庫和家庭等低成本系統中的應用潛力。

通過動圖我們可以看出，該機器人可以鉤住約為 3.8N（一罐汽水）的負載，並在天花板上進行前後左右移動。

▲機器人在鉤住一罐汽水

第二個實驗是讓機器人攀爬垂直表面。研究人員將機器人放置到一個木櫃的表面進行測試。

根據實驗影象，由於機器人可以提供足夠的摩擦力和附著力，所以實現了垂直攀爬。

▲機器人在豎直木櫃表面行進

之後，為了測試機器人在非平面表面的行動。研究人員使機器人繞著一個直徑為 0.9 米的豎立圓盤內部移動。機器人花費 56 秒成功完成了這一測試。

在這一實驗中，機器人在不同位置的耗時直觀地體現了不同曲面環境的難度。機器人在圓盤的前半程花費了 42 秒，而後半程則大約只花費了 14 秒，說明對抗重力對機器人來說更加困難。

▲機器人在曲面圓盤上行進

三、無法附著粗糙表面，或可應用於水下環境

在論文的最後，研究人員稱，這項研究對於機器人有著重要的意義和發展前景，但是也存在一些問題。

首先，這個機器人僅能粘附在如金屬板、玻璃、塑料等相對光滑的表面，無法附著在石頭、磚牆、開孔泡沫等粗糙的表面上。經過研究，科研人員發現振動產生的流體氣膜厚度需要控制在 800μm 之下，而粗糙的表面會增加氣膜厚度，限制機器人的可支撐負載。

同時，由於振動頻率在人耳可聽頻率之內，並且該機器人的工作噪聲較大，不適合在有人居住的地方使用。

另一方面，科研人員也無法確定其流體膜的工作原理能否用於水下環境。如果液體介質可以替代氣膜，這種機器人將會迎來更大的應用前景，開闢水下粘附應用。值得一提的是，這項研究還得到了美國海軍研究辦公室的支援。

結語：實驗展示了氣膜粘附的可行性

當前，高層建築的玻璃清潔、高架電網設施的維護等工作仍需要人們冒著較高的風險進行作業。而此前的很多攀爬機器人，無論是重量、成本還是能耗上都存在問題，無法替代人工作業。

本次的研究在重量和功耗上都有提升，也展示了氣膜粘附在攀爬機器人方案中的可行性，推動了這類機器人的發展。

來源：IEEE Spectrum、Advanced Intelligent Systems