登《npj Robotics》！NASA联合国际高校打造“劈冰镐”机器人

近日，NASA联手加州大学伯克利分校（UC Berkeley）打造了一款“低压力、低能耗”的冰面锚定机器人，未来或能攀爬南极地区的喷冰口。

在光滑、起伏的冰面上站稳，对人类登山者来说或许只是几记冰镐的事，但对机器人而言，这却是一项长期未能攻克的难题。

近日，来自加州大学伯克利分校与NASA喷气推进实验室（JPL）的研究团队在《npj Robotics》 上发表了一项研究成果，展示了一种全新的冰面锚定方式：冲击+抓握。这项技术让机器人能够像登山者一样，用“劈”的方式在冰面制造凹痕，再利用抓握形成牢固锚点。

-14℃淡水冰面上，初始压缩力低至8.3N、综合机械势能仅8 J，就能稳稳抓住冰面，还能轻松切换树干、岩石、压实土壤等地形，直接把冰面锚定技术的能耗和所需压力卷到了新高度。

01.

为什么要在冰面上站稳？

研究团队的目标场景并非地球上的冰川，而是土卫二“恩克拉多斯”。这颗冰封卫星表面重力仅为地球的1%，但其活跃的冰火喷口却直通地下液态水海洋，被视为太阳系中最具生命潜力的天体之一。

然而，要在这种低重力、高喷流的环境中实现机器人攀爬，传统手段都存在问题：冰螺钉需要50–200 N的初始压入力，相当于在地球上压住一个200公斤的物体；热熔锚虽初始力低（6.5–40 N），但单次锚定能耗高达~1000 J，对能量极度受限的深空探测器而言几乎不可接受。

因此，团队的目标很明确：既要初始力低，又要能耗小，还要锚得牢。

02.

灵感来自登山者的冰镐

如果你看过人类冰攀，一定对登山者挥舞冰镐、劈入冰面的场景印象深刻。研究团队的灵感正来源于此。

他们设计了一款双冰镐夹持器。两个冰镐对称布置在透明框架内，各自配重平衡，由同一台电机通过凸轮和丝杠驱动，既能储能释放，又能向心抓握，完成了人类登山者用两只手才能做的事。整个锚定过程分为6个阶段：

储能：两个冰镐分别由扭簧驱动，每个弹簧储存4 J的能量；

冲击：释放弹簧，冰镐尖端以约2.5 m/s的速度冲击冰面，形成约1 cm深的凹痕；

抓握：同一执行器驱动冰镐向心夹紧，增强锚定力；

承载：机器人完成锚定，可进行拉力测试或承受负载；

释放：反向驱动，松开抓握力；

移除：将夹持器从冰面上提起，脱离接触。

整个过程仅由一个直流电机完成，结构紧凑，非常适合资源受限的机器人平台。

03.

低至8.3N的初始力，8J的能耗

在实验室中，研究团队对-14℃淡水冰进行了系统测试。

最小成功锚定的初始压入力仅为8.3 N；总储能8 J，仅为热熔锚能耗的1/125；在抓握力为175 N时，锚定强度达到75 N，超过夹持器自重的2倍。

但抓握力并非越大越好。实验发现，当抓握力超过180 N时，冰面会出现断裂失效，锚定强度反而下降。最佳抓握区间为100–175 N，这一发现对后续控制策略设计至关重要。

有意思的是，温度对锚定强度影响也很显著。在-20℃的冰面上，同一夹持器的锚定强度飙升至163 N，是自重的5倍还多。

04.

在真实冰川上“挂住自己”

实验室数据固然漂亮，但真正的考验来自野外。研究团队来到法国Mer de Glace冰川，在真实冰面上进行了悬吊测试。结果表明：

• 当初始压入力超过16 N时，锚定成功率达100%；

• 在57°倾斜冰面上，夹持器成功承载自身重量；

• 在更松软的firn（压实雪） 上，锚定强度更高，达到101 N。

这些数据不仅验证了模型的有效性，也证明了该技术在实际环境中的可行性。

不止于冰，更令人惊喜的是，研究团队还测试了该夹持器在非冰材质上的表现，它在树干、岩石、土坡都能抓。

具体来说，树干的锚定强度达103 N；在压实土坡的锚定强度达90 N；在岩壁，利用现有粗糙特征，仅靠抓握即可实现锚定。

这种多材质适应性，使其在极端环境机器人、地质采样、甚至森林监测等领域都具有应用潜力。

05.

未来：攀爬土卫二的“冰火喷口”

目前，这项技术还不是完美的，团队也坦言，后续还有不少优化空间。比如，模型尚未涵盖六维力作用下的锚定稳定性；冰温对锚定强度影响显著，需建立温度补偿机制；实际攀爬机器人需要多个夹持器协同工作，系统级集成尚在推进中。

但这丝毫不影响它的应用前景有多广阔。在地球，它能让冰川冰洞探测机器人，在垂直冰洞壁上稳稳锚定采样，让极地科考的攀爬机器人实现更长距离的冰面移动。研究团队指出，这项技术最具想象力的应用场景，正是土卫二的南极喷冰口。那里表面重力极低、冰层厚达数十公里，任何能量浪费都不可接受，“冲击+抓握”机制恰好契合了这一极端需求。

从登山者的冰镐，到机器人的锚定夹持器，这项研究展示了仿生思维与工程力学的巧妙结合。它不仅为地外探测提供了一种全新的锚定方案，也为极端环境机器人设计开辟了一条“低压力、低能耗、高适应性”的新路径。

未来，我们或许真的能看到一个机器人，像登山者一样，在土卫二的冰壁上稳稳“挂”住，采下一捧可能蕴藏生命痕迹的冰样。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s44182-026-00085-0#Abs1