让无人机“长出爪子”，稳稳抓住冰山

微型尖刺是让机器人能够抓附墙壁、天花板等表面的众多方式之一。如今，加拿大的机器人研究人员正利用这种微型尖刺，让无人机降落在一种更具挑战性、也更加偏远的表面上：冰山。

吸震腿和“爪子”让这架无人机能够稳稳停驻在陡峭、湿滑的冰山上。

就像蜘蛛一样，Ice Dart能够降落并抓附在冰山和冰川等陡峭、湿滑的表面上。随着北极地区活动日益增多，这一能力正变得越来越有用。这款无人机能够抓附在接近60度的冰坡上，这远远超出了大多数人在没有特殊装备情况下能够应对的程度。

在一项最新研究中，研究人员介绍了他们如何开发Ice Dart无人机。这款无人机配备了特殊起落架，能够吸收硬着陆产生的冲击，同时利用能够刺入并抓住冰面的微小尖刺将无人机固定在原地。

这项发表于《IEEE Transactions on Field Robotics》的研究介绍了Ice Dart在冰岛东南部的一些冰山和一处冰川上的着陆表现。测试是在持续有风、气温为0至10℃的环境下进行的，地点是崎岖而壮丽的Fjallsjökull冰川（发音为“FYATLS-yuh-kuutl”）。该冰川最终汇入一个遍布冰山的泻湖。即使在30 km/h的风速下，这款无人机也能够以最高3m/s的速度、在最高58度的坡面上成功停留，成功率达到100%。

研究人员开发这项技术的动机，是希望让无人机能够在世界上几乎任何地方降落，因为是否有安全的着陆点，是限制无人机运行地点和运行方式的主要因素之一。此前，研究人员已经开发过能够降落在高速行驶的卡车以及拖车、船只和陡峭屋顶上的无人机。

冰面栖息

“相比于一直悬停，让无人机能够真正降落下来，可能会从根本上改变无人机在实际作业中的使用方式，”加拿大魁北克省舍布鲁克大学工程学教授、该研究论文合著者Alexis Lussier Desbiens表示，“一旦无人机降落，能耗就会大幅下降，使小型飞行器能够进行更长时间的观测。无人机降落后也会彻底安静下来，甚至可以通过关闭主要机载系统，降低或消除自身的热信号和射频特征。”

具体而言，降落在冰山上能够让无人机对冰山进行数天甚至数月的监测，从而获得比短时间空中侦察任务更加详细的观测数据。研究人员表示，与直升机部署、投放仪器或使用飞镖状跟踪装置等方法相比，这种方式可能简化冰山追踪，同时还能为卫星和船载冰山探测提供另一层数据。它还能够为原本无法追踪的冰山提供监测手段。

Ice Dart采用碳纤维结构，重量仅为2.65千克，并配备四条呈X形排列的腿，通过转轴关节连接到机身上。这种起落架此前就曾用于该团队的无人机研究，它能够分散着陆时产生的能量、降低冲击，并解决多个工程难题。

起落架中的摩擦式减震器由38个圆盘组成。当无人机受到冲击、腿部上下运动时，这些圆盘会产生摩擦扭矩。这一结构能够降低无人机的重心，并帮助分散着陆时产生的动能。但真正的关键在于每只脚上配备的两根可伸缩尖刺，分别负责上坡和下坡方向的抓附。

下坡侧的脚承受的载荷更大，因此会使用较粗、较大的尖刺；上坡侧的脚承受的载荷较小，则由更细、更小的尖刺发挥作用。即使在陡坡上、上坡侧的脚几乎没有多少载荷，较小的尖刺也能轻松刺入冰面。只有当无人机的悬挂系统受到压缩时，尖刺才会刺入冰面并产生抓附力，同时避免尖刺直接承受过大的着陆冲击。

“足部可伸缩尖刺的灵感来自猫爪。猫爪能够在需要的时候伸出，我也希望借鉴这种机制。”论文第一作者、舍布鲁克大学机械与机器人工程博士后Isaac Tunney表示，“我想设计一种能够自然、被动地在合适的时机让尖刺刺入冰面的足部结构，无论无人机的朝向、冰面的形状还是冰面状况如何，都能做到这一点。”

北极监测

William D. Harcourt是英国苏格兰阿伯丁大学的一名研究人员，主要研究北极冰川、积雪和海冰，以及遥感和机器学习技术的应用。Harcourt并未参与这项研究，但他认为这项技术在多个方面都具有潜在的应用价值。

“在潮水型冰川的前缘附近，这类系统可以用来测量应力和应变，帮助我们了解冰川崩解的过程。”Harcourt表示，“无人机还可以充当移动GPS，直接作为冰面上的接收器使用。不过，这套系统还需要解决无人机倾斜的问题，因为进行三维变化测量时，天线通常需要保持水平。如果这些问题能够得到解决，就可以利用它来追踪冰山的移动。”

研究人员希望继续开发Ice Dart技术，并将其应用于实际场景，包括让无人机自主选择着陆地点，以及增加紧急起飞功能，以便在冰山翻转或解体时及时起飞。今年8月，这款无人机将参与一次加拿大北极地区任务，在冰山上着陆、收集数据，并帮助验证船载冰山探测系统。