攀爬机器人：利用振动气膜实现高效吸附

近日，一款无需吸盘结构或粘性介质的新型攀爬机器人引起了广泛关注。这款机器人通过振动电机产生一层不到1毫米厚的气膜，从而吸附在光滑表面上。依靠这层气膜，机器人能够在墙面或天花板上移动，并承载相当于一罐汽水重量的物体。相比于其他攀爬机器人，这款机器人更轻、成本更低且功耗更少，在高空作业中展现出巨大的应用潜力。

这项研究由美国加州大学圣地亚哥分校的仿生机器人设计实验室完成，并发表在Wiley出版的《先进智能系统》杂志上。论文标题为《利用振动气膜实现机器人吸附》。

一、借助低压气膜，实现低功耗附着

机器人技术的发展促使各种具备可控粘附功能的机器人不断涌现。这些机器人通常采用气动、电磁或干纤维等方法实现粘附。尽管这些方法效果显著，但通常需要沉重、高耗能的组件。因此，研究人员致力于开发一种更轻、功耗更低的粘附装置，使机器人能在不适合人类工作的环境中执行检查、维修、监控和探索任务。

在设计过程中，研究人员考虑到机器人在光滑表面的移动，选择非接触或轻接触形式更为有利。他们最终选择了公平转子马达（ERM）作为吸附装置。这种电机可以带动直径14厘米的软盘产生200赫兹的振动，从而在机器人与表面之间形成一层低压气膜，提供足够的附着力。

二、机器人可负载3.8牛顿物品，或在竖直曲面移动

在确定了粘附方式后，研究人员构建了两个系统。一个是粘附系统，主要研究通过气膜实现粘附的机制；另一个是驱动装置，为机器人提供平稳移动的能力。

完成设计后，研究人员将这两个系统组合在一起，进行了有效负载、垂直移动和曲面移动的测试。第一个测试展示了机器人在仓库和家庭环境中运用的潜力。机器人能够钩住3.8牛顿（约一罐汽水）的负载，并在天花板上自由移动。

第二个测试验证了机器人在垂直表面的攀爬能力。机器人成功地攀爬了一个木柜表面。随后，为了测试机器人在非平面表面的表现，研究人员让它沿着一个直径0.9米的竖立圆盘内部移动。机器人用56秒完成了这一测试，表明对抗重力对机器人来说更加困难。

三、无法附着粗糙表面，或可运用于水下环境

尽管这项研究展示了气膜粘附技术的可行性，但也存在一些局限性。机器人只能在金属板、玻璃和塑料等相对光滑的表面上粘附，无法附着在石头、砖墙和开孔泡沫等粗糙表面上。这是因为振动产生的气膜厚度需要控制在800微米以内，而粗糙表面会增加气膜厚度，影响负载能力。

此外，由于振动频率在人耳可听范围内，噪音较大，这种机器人不适合在有人居住的地方使用。另外，科研人员尚未确定这种气膜技术是否适用于水下环境。如果液体介质可以替代气膜，这种机器人将在水下应用中展现出更大的潜力。

结论：气膜粘附技术推动攀爬机器人发展

当前，高层建筑的玻璃清洁和高架电网设备的维护等任务仍然需要人工完成，存在较高的风险。而这款新研发的攀爬机器人在重量、成本和能耗方面均有所改善，展示了气膜粘附技术在攀爬机器人中的可行性，推动了该领域的发展。

来源：IEEE Spectrum、Advanced Intelligent Systems