软体机器人新进展！高空缆绳攀爬机器人，仅110克却能扛10倍自重

在城市上空、偏远山野间，架起的高压电缆、吊桥钢索、通信塔缆绳构成了现代社会的“生命线”。这些延伸至高空偏远区域的基础设施，需要定期巡检维护以避免故障，但人工操作往往要直面高空坠落、高压触电、电磁干扰等致命风险，不仅效率低下，成本也居高不下。

自动化检查机器人能够显著提升作业安全、降低运营成本并提高效率。然而，现有的缆索攀爬机器人多为刚性设计，往往存在重量大、负载能力有限、难以适应不同缆索直径或弯曲等问题，且在电磁干扰环境中可靠性不足。有没有一种机器人，能像昆虫一样轻盈地爬行在缆绳上，自主完成巡检、维修甚至运输？最近，一项融合了仿生学与折纸艺术的研究给出了亮眼的答案。

▍设计灵感与核心概念

本研究提出的机器人解决方案，其核心灵感来源于仿生学与折纸艺术的结合。运动模式借鉴了毛毛虫的“锚定-爬行”步态，即通过身体节段的交替伸缩与固定来实现前进。执行机构则采用了克雷斯林折纸图案。这种折纸结构在气压驱动下能够产生显著的轴向伸缩变形。

攀爬缆索机器人的设计与工作原理

更重要的是，通过调整折纸单元的几何参数（如三角形板边的比例），可以设计出具有不同机械特性的执行器：一种是单稳态，能够平稳连续地变形；另一种是双稳态，具有两个稳定的状态，能在无需持续能量输入的情况下保持特定形态，并实现状态的快速切换。

机器人由一个身体机构和两个腿部机构构成，总重约110克。身体机构由两个并联的单稳态折纸执行器组成。它们在气压驱动下可平滑地伸缩，为机器人提供前进动力，同时其固有的柔顺性使机器人能被动适应缆索的各种弯曲形态。

折纸执行器的设计与性能评估

每个腿部机构包含四个双稳态折纸执行器，共同驱动一对末端抓爪。双稳态特性使得抓爪的“抓紧”与“松开”动作迅速，并且能在断电或断气的情况下保持抓握状态，实现了自锁功能，增强了安全性。

为了适配不同直径的缆绳，机器人的腿部还配备了可拆卸的模块化导向环。这些导向环有不同的内径，能让机器人稳定抓握略小于环内径的缆绳，再配合爪子的开合能力，最终实现了从小于1毫米到32毫米的超宽直径适配范围。如果需要攀爬更粗的缆绳，只需增加腿部执行器内的折纸单元数量，就能扩大爪子的开口幅度。

▍工作原理与运动过程

机器人的运动基于协调控制三个独立的气动回路：前腿机构、后腿机构和身体机构。一个完整的爬行步态周期包含三个主要阶段：

初始状态：前后腿机构均处于抓握状态，将机器人锚定在缆索上。

身体伸展与前腿前进：前腿机构充气，抓爪松开缆索；随后身体机构充气伸展，推动已松开的前腿沿缆索向前移动；接着前腿机构放气，抓爪重新抓紧缆索。

身体收缩与后腿跟进：后腿机构充气，松开抓爪；随后身体机构放气收缩，拉动已松开的身体和后腿向前移动；最后后腿机构放气，抓爪重新抓紧缆索。

机器人在直线上的动作

机器人在弯曲钢索上的运动

通过循环这一过程，机器人得以在缆索上步进爬行，实测最大步幅可达其自由体长的81%。

▍性能特点与测试结果

这款折纸软机器人的性能，在实际测试中交出了亮眼的答卷。首先是它的核心攀爬能力，不仅能适配超宽范围的缆绳直径，还能在不同直径的缆绳之间自由过渡——从0.5毫米的细缆爬到32毫米的粗缆，全程平稳无卡顿。

在复杂环境适应性上，它也表现出色。研究人员对不同表面状态的缆绳进行了测试，包括未处理、带污渍、油腻和结冰的缆绳，结果显示，即使在最光滑的结冰缆绳上，它也能以10.8毫米/秒的速度爬行。面对突出的障碍物，它能借助爪子外侧的弯曲法兰，配合身体的推力轻松翻越，最大能跨越6.8毫米高的障碍，足以应对缆绳上的连接件、污渍结块等常见阻碍。

负载能力是它的最大亮点之一。在垂直的30毫米直径缆绳上，它能承载超过自身重量10倍的负载——也就是说，这个110克的“小家伙”，能扛起1.2公斤的重物稳定攀爬。测试中，它成功携带30克负载爬过0.5毫米的细缆，也能带着1公斤的重物征服32毫米的粗缆，完全满足携带检测仪器、维修工具的实用需求。

机器人垂直电缆的载荷能力

更值得一提的是它的安全性和可靠性。由于主体材料是绝缘的弹性体和聚合物，且采用气动驱动，它完全不受高压电线的电磁干扰，能在超高压电缆环境中安全工作。腿部的双稳态自锁特性，让它即使在突然断气的情况下，也能牢牢固定在缆绳上，不会坠落引发二次事故。经过10000次的反复伸缩测试，它的身体执行器位移基本保持不变，证明了其稳定的耐久性。

攀爬机器人的潜在应用

▍未来可期：从系绳到自主，解锁更多可能

当然，这款机器人目前还存在一些局限。比如它现在需要通过气管连接外部气源和控制系统，系绳限制了它的活动范围；目前的爬行状态需要机载摄像头监控，无法自动判断腿部是否稳固抓握缆绳；性能测试多在静态环境中进行，尚未接受真实户外复杂环境（如风雨、温度变化）的考验。

针对这些问题，研究人员已经规划了未来的改进方向：将压缩空气和控制单元集成到机器人身上，实现无系留自主攀爬；在腿部加装压力传感器，让机器人能自动检测抓握状态，提升运动稳定性；在真实户外环境中开展测试，优化其抗干扰能力和环境适应性。