带爪无人机可在北极冰山上栖息着陆

本文是我们与 IEEE Xplore 合作推出的独家 IEEE Journal Watch 系列文章的一部分。Microspines（微刺）是让机器人能够附着在墙壁和天花板等表面上的众多方法之一。如今，加拿大的机器人专家正在利用这种微型尖刺，让无人机降落在一个更具挑战性、更加偏远的表面上：冰山。像蜘蛛一样，Ice Dart 能够降落并附着在冰山和冰川等陡峭而湿滑的表面上——随着北极地区活动日益增多，这一能力正变得越来越实用。这款无人机可以抓附在接近 60 度的冰坡上，这远远超出了大多数人类在没有特殊装备的情况下所能应对的范围。

在近期的一项研究中，研究人员解释了他们如何为 Ice Dart 无人机开发一种特殊的起落架：它既能吸收硬着陆时的冲击力，又能通过刺入并抓住冰面的微型尖刺将无人机固定在位。这项发表在 IEEE Transactions on Field Robotics 上的研究，描述了 Ice Dart 如何成功降落在冰岛东南部的冰山和一座冰川上。测试在持续的大风和 0 至 10 °C 的气温下进行，地点位于崎岖而壮美的 Fjallsjökull 冰川（发音为"FYATLS-yuh-kuutl"），该冰川注入一个布满冰山的潟湖。这款无人机能够以最高每秒 3 米的速度、在最大 58 度的斜坡上成功栖息，即使在 30 km/h 的风速下，成功率也达到了 100%。

研究人员的研究动机是希望让无人机几乎能够降落在世界任何地方，因为安全着陆点的可获得性是限制无人机在何处以及如何作业的主要因素之一。该研究团队此前已有研发可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的历史。

冰上栖息

"着陆而非悬停的能力可以从根本上改变无人机在野外的使用方式，"加拿大魁北克省舍布鲁克的 Université de Sherbrooke 工程学教授、该研究的合著者 Alexis Lussier Desbiens 表示。"无人机一旦着陆，能耗就会大幅下降，从而使小型飞行器能够进行更长时间的观测。同时，无人机还会变得完全安静，甚至可以通过关闭主要机载系统来降低或消除其热信号和射频（RF）特征。"

专门降落在冰山上，可以让无人机对其进行数天乃至数月的监测，比快速的空中侦察任务产生更为详细的观测结果。研究人员表示，与直升机部署、空投仪器或飞镖式追踪装置等方法相比，这可以简化冰山追踪工作，并为卫星和舰载冰山探测提供另一个数据层。它还可以为监测那些原本无法追踪的冰山提供一种手段。

Ice Dart 无人机采用碳纤维结构，重量仅为 2.65 kg，拥有四条呈 X 形排列的支腿，通过枢轴关节连接到机身上。这种起落架曾被用于该团队此前的无人机研究，它能够分散能量以减小冲击，并克服了多项工程挑战。摩擦减震器由 38 个盘片组成，当支腿在着陆冲击时上下移动，这些盘片会产生摩擦力矩。这降低了无人机的质心，有助于分散着陆时的动能，但真正的诀窍在于每只脚上的两根可伸缩尖刺——一根用于上坡方向的抓附，一根用于下坡方向的抓附。较大的尖刺在承受更大载荷的下坡侧支腿上啮合，而较小、较细的尖刺则更容易在上坡侧支腿上啮合，即使在陡坡上载荷非常低的情况下也是如此。尖刺仅在悬挂系统压缩时才会刺入冰面，从而产生抓附力，并保护尖刺免受高冲击力的损害。

"脚部可伸缩尖刺的灵感来自观察猫的爪子以及它们仅在需要时才伸出的能力，"该论文的第一作者、Université de Sherbrooke 机械与机器人工程博士后 Isaac Tunney 表示。"我想创造出这样的脚部结构：无论无人机的姿态、表面几何形状还是冰面状况如何，都能在正确的时机自然、被动地将尖刺啮合进冰面。"

北极监测

William D. Harcourt 是苏格兰阿伯丁 University of Aberdeen 的研究员，专注于北极冰川、积雪和海冰研究，以及遥感和机器学习技术的应用。Harcourt 并未参与这项研究，但他看到了这项技术的几个潜在的有趣应用。"在入海冰川的前缘附近，这些系统可以实现应力-应变的测量，帮助我们理解冰崩过程，"Harcourt 说。"无人机可以被用作移动 GPS，实际上就是充当冰面上的接收器，但系统需要解决倾斜问题，因为 3D 变化测量通常要求天线保持水平。不过，如果这些问题能够得到解决，它就可以用来追踪冰山的运动。"

研究人员希望继续开发 Ice Dart 技术以用于实际应用，包括自主着陆点选择，以及在冰山翻滚或碎裂时使用的紧急起飞能力。今年 8 月，这款无人机将在一次加拿大北极任务中被部署，用于降落在冰山上、收集数据，并帮助验证舰载冰山探测系统。