Science Robotics最新！这款可变形软轮，让人类驻月梦想再近一步

月球，这颗距离地球最近的天体邻居，不仅承载着人类对宇宙的无限遐想，更藏着解读宇宙起源的科学密码，其丰富的自然资源和独特的空间环境，使其成为深空探测的关键跳板。在月球众多神秘特征中，由地下空洞坍塌形成的坑洞和洞穴，被认为是未来人类长期驻月的理想选址——它们能天然抵御宇宙辐射、微陨石撞击和极端温差的侵袭，为人类提供安全的“天然避难所”。然而，这些坑洞多呈漏斗状，内壁陡峭、地形复杂，如何安全进入并开展探测，一直是困扰航天界的技术难题。

此前，各国航天机构提出过多种探测方案，但这些方案普遍依赖复杂的重型设备，不仅增加了任务成本，更存在部署风险高、适应性差等问题。在崎岖的坑洞环境中，绳降设备的固定和回收都可能引发坍塌，而传统探测车的刚性车轮则难以应对陡峭坡度和障碍。

传统探测车的机动性瓶颈，核心在于车轮设计。刚性可变形轮的裸露关节易受机械冲击和环境污染，在月球风化层的侵蚀下难以长期可靠工作；而传统软轮为保证接地面积需采用超大轮径，无法适配紧凑型探测车；因此，研发一种紧凑、坚固、抗冲击且无需复杂关节的软轮系统，成为月球洞穴探测的关键点。

▍创新方案：软质可展开无气轮登场

据探索前沿科技边界，传递前沿科技成果的X-robot投稿，近期，国际机器人权威期刊Science Robotics报道了一种专为月球熔岩管探测设计的软质可展开无气轮，为解决这一难题提供了创新性方案。

其核心创新在于采用了交叉螺旋形的弹性钢条结构，通过材料的形状变换实现轮径的伸缩，不仅避免了传统接头部件的机械脆弱性，还实现了应变均匀分布——这一设计在月球极端环境中极具优势，不仅减少了故障点，还降低了在高机械载荷或冲击下失效的风险。

轮结构和螺旋机构的几何描述

这种交叉螺旋结构具有独特的“互易特性”：条带之间相互交织、相互支撑，在储存状态下可紧凑收缩，而在承受垂直载荷时则能抵抗变形，避免坍塌。当需要部署时，轮子可从230毫米的收缩状态自动展开至500毫米的最大直径，无需额外执行器驱动，依靠材料自身的弹性势能即可完成形态转换，平衡了紧凑性和机动性。

这种“变形能力”背后，是严谨的设计原理支撑。

轮子的展开与收缩由轮毂两侧的反向旋转驱动，通过调整条带的边缘和辐条比例，实现条带间的顺畅滑动。科研团队采用大挠度悬臂梁模型，对车轮的存储扭矩、承载能力等关键性能进行了系统分析，最终确定了最优设计参数：轮毂半径30毫米，采用10条长度200毫米、宽度30毫米、厚度0.4毫米的弹性钢条。

车轮结构分析

测试显示，该轮子展开比（最大直径与收缩直径之比）超过2，能轻松穿越200毫米高的障碍，在模拟月球土壤中表现出优异的抓地力，其冲击耐受力更是相当于从100米高空在月球重力下坠落，完全满足极端环境下的探测需求。

月球极端的热环境，是对探测设备的另一大考验。月球白昼表面温度可达400开尔文（约127摄氏度），月夜则骤降至100开尔文（约-173摄氏度），巨大的温差易导致设备热胀冷缩、部件失效甚至冷焊。为验证新轮的热稳定性，科研团队为马里乌斯山坑外缘的42天任务周期建立了热环境模型，模拟月球风化层的热物理特性和太阳辐射变化。

热分析条件及轮子结果

结果显示，轮子独特的几何结构能形成自然阴影区，虽会产生高达150开尔文的温度梯度，但由于设计时预留了足够的几何公差，可有效吸收热应变，避免部件卡滞；同时，弹性钢条在宽温度范围内能保持机械完整性，配合轮毂与电机间的隔热垫片，可防止电机过热。而针对月夜的极低温，团队提出采用“仅白天运行”的策略，在月球日照的热有利窗口内完成探测任务，无需额外搭载主动加热器，有效降低了能耗和系统复杂度。

▍硬核性能实测：攀坡、抗冲击、抓地样样行

严苛的实验验证，进一步证明了该轮子的可靠性。

科研团队制造了5个原型轮，先后进行了热真空测试和冲击测试：在423开尔文、10⁻¹托尔的真空环境中放置24小时后，轮子性能无明显衰减；随后，将9.3公斤的载荷（含轮子）从770毫米高度垂直坠落，模拟月球重力下100米落差的冲击，轮子仍保持完好。在模拟月球风化层的牵引测试中，配备该轮子的探测车能稳定攀爬10°坡度，滑移比控制在0.5以下，展现出优异的地形适应性。

任务情景可行性的实验验证

为全面评估实际探测能力，科研团队搭建了配备该软轮的两轮模拟探测车系统，整合了电源、通信、控制和驱动模块，并搭载摄像头和灯光以适应洞穴黑暗环境。实地测试中，这辆探测车表现出色：在布满尘土和沙坑的模拟月壤上平稳行驶，不易陷车；从4米高度坠落（地球重力下）后仍能正常运行；成功攀爬200毫米高、坡度34°的阶梯障碍；在陆地洞穴的不规则岩石地形上也能灵活穿梭，充分验证了其在复杂环境中的机动性和耐用性。

探测车系统配置与现场测试

这款软质可展开无气轮的研发，为月球洞穴探测提供了全新思路。其模块化设计可轻松适配各类微型探测车，无需对主探测器进行大幅改造，能实现多辆微型探测车的协同部署——这种“集群探测”模式可分散任务风险，即便单台探测车故障，也不会导致整个任务失败。更重要的是，它摒弃了复杂的重型部署设备，依靠自身的变形能力和抗冲击特性，可直接从坑缘坠落进入洞穴，大幅降低了任务复杂度和成本。

随着机器人等前沿技术的推进，人类重返月球并建立长期驻留基地的目标日益临近，月球洞穴的探测价值愈发凸显。这些洞穴不仅能为宇航员提供安全庇护，其内壁暴露的分层基岩还能反映月球火山活动和撞击历史，永久阴影区更可能储存水冰等关键资源。这款软质可展开无气轮的出现，不仅为月球洞穴探测的机动性难题提供了解决方案，更拓展了软机器人技术在深空探测中的应用边界。

未来，科研团队将进一步优化轮子的材料性能，探索采用更轻量化的航天级材料如聚醚酮（PEEK），在保证刚度的同时降低重量，并推动该技术与太空级微型探测车系统的集成。

▍关于X-robot

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