近日，NASA聯手加州大學伯克利分校（UC Berkeley）打造了一款「低壓力、低能耗」的冰面錨定機械人，未來或能攀爬南極地區的噴冰口。
在光滑、起伏的冰面上站穩，對人類登山者來說或許只是幾記冰鎬的事，但對機械人而言，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》 上發表了一項研究成果，展示了一種全新的冰面錨定方式：衝擊+抓握。這項技術讓機械人能夠像登山者一樣，用「劈」的方式在冰面製造凹痕，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，就能穩穩抓住冰面，還能輕鬆切換樹榦、岩石、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.
為什麼要在冰面上站穩？
研究團隊的目標場景並非地球上的冰川，而是土衛二「恩克拉多斯」。這顆冰封衛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、高噴流的環境中實現機械人攀爬，傳統手段都存在問題：冰螺釘需要50–200 N的初始壓入力，相當於在地球上壓住一個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於此。
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，各自配重平衡，由同一台電機通過凸輪和絲杠驅動，既能儲能釋放，又能向心抓握，完成了人類登山者用兩隻手才能做的事。整個錨定過程分為6個階段：
儲能：兩個冰鎬分別由扭簧驅動，每個彈簧儲存4 J的能量；
衝擊：釋放彈簧，冰鎬尖端以約2.5 m/s的速度衝擊冰面，形成約1 cm深的凹痕；
抓握：同一執行器驅動冰鎬向心夾緊，增強錨定力；
承載：機械人完成錨定，可進行拉力測試或承受負載；
釋放：反向驅動，鬆開抓握力；
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，結構緊湊，非常適合資源受限的機械人平台。
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。
但抓握力並非越大越好。實驗發現，當抓握力超過180 N時，冰面會出現斷裂失效，錨定強度反而下降。最佳抓握區間為100–175 N，這一發現對後續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」
實驗室數據固然漂亮，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；
- 在更鬆軟的firn（壓實雪） 上，錨定強度更高，達到101 N。
這些數據不僅驗證了模型的有效性，也證明了該技術在實際環境中的可行性。
不止於冰，更令人驚喜的是，研究團隊還測試了該夾持器在非冰材質上的表現，它在樹榦、岩石、土坡都能抓。
具體來說，樹榦的錨定強度達103 N；在壓實土坡的錨定強度達90 N；在岩壁，利用現有粗糙特徵，僅靠抓握即可實現錨定。
這種多材質適應性，使其在極端環境機械人、地質採樣、甚至森林監測等領域都具有應用潛力。
05.
未來：攀爬土衛二的「冰火噴口」
目前，這項技術還不是完美的，團隊也坦言，後續還有不少優化空間。比如，模型尚未涵蓋六維力作用下的錨定穩定性；冰溫對錨定強度影響顯著，需建立溫度補償機制；實際攀爬機械人需要多個夾持器協同工作，系統級集成尚在推進中。
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械人，在垂直冰洞壁上穩穩錨定採樣，讓極地科考的攀爬機械人實現更長距離的冰面移動。研究團隊指出，這項技術最具想像力的應用場景，正是土衛二的南極噴冰口。那裡表面重力極低、冰層厚達數十公里，任何能量浪費都不可接受，「衝擊+抓握」機制恰好契合了這一極端需求。
從登山者的冰鎬，到機械人的錨定夾持器，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，也為極端環境機械人設計開闢了一條「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械人，像登山者一樣，在土衛二的冰壁上穩穩「掛」住，採下一捧可能蘊藏生命痕迹的冰樣。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s44182-026-00085-0#Abs1
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