A High-Payload Wall-Climbing Robot Using Passive Bistable Suction Cups
本文介绍了一种新型高负载爬墙机器人，该机器人利用基于履带的系统来驱动被动双稳态吸盘，从而实现无动力吸附并具备在各种光滑表面上攀爬及拖拽 7.940 kg 负载的能力。
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想象一下一种可以走在垂直墙壁上的机器，它无需绳索或磁铁固定，就能违背重力向上攀爬。这就是爬墙机器人的梦想，这些机器旨在承担危险或枯燥的工作，如清洗高层窗户、检查桥梁或清理工业储罐。几十年来，工程师们一直致力于解决如何制造这类机器人，因为存在一个根本性的问题：如何在不消耗大量能量的情况下粘附在墙上。一些机器人使用主动系统，比如电风扇或真空泵，它们必须不断消耗能量以防坠落。另一些则使用被动方法，比如吸盘，虽然无需动力即可粘附，但往往力量太弱，无法携带重物。挑战在于寻找一种兼顾两者的方案：一种既能在不需要持续电源的情况下牢固粘附，又能强壮到足以携带显著负载的机器人。
密歇根大学的一个研究小组通过发明一种利用吸盘巧妙技巧的新型爬墙机器人，解决了这一难题。这种设计并非使用那种需要被压扁才能工作的标准吸盘，而是设计了一种“双稳态”吸盘。把它想象成一个会“咔哒”一声到位并保持原位的灯开关；一旦你拨动它，它就会保持在那里，而不需要你一直按住。这些特殊的吸盘有两种稳定的形状：一种是翻转在内部、未粘附的状态，另一种是翻转在外部、紧紧吸附的状态。机器人使用一套类似于坦克履带的轨道系统，在接触墙面时，物理性地将这些吸盘翻转到粘附位置。这使得机器人无需用力挤压墙面即可产生强大的抓力，而用力挤压通常会导致其他机器人把自己从表面推开。
机器人本身由坚固的铝制框架组成，由电机驱动连续履带。随着履带移动，它带动吸盘经过一系列机械站。首先，一个机构将吸盘从松散的“脱离”状态翻转到紧密的“结合”状态，使其啪地一声吸附在表面。随后，吸盘会承受机器人的重量。随着履带继续旋转，吸盘被拉离墙面，一组柔性杆会破坏密封，使吸盘能够翻回到松散状态以便重复使用。这个循环会自动进行，使机器人能够在玻璃、木材、金属和涂漆墙壁等光滑表面上向上、向下甚至横向爬行。
为了验证这种设计的实际效果，研究人员对机器人进行了一系列严格测试。他们首先测量了翻转吸盘所需的力，发现将它们吸附到粘附位置所需的力非常小，但将它们拉开则需要显著更大的力。这种差异至关重要，因为它意味着机器人无需依靠强力电机将吸盘压向墙面即可实现牢固抓取。随后，他们在不同表面（从光滑的亚克力到粗糙的砂纸）上测试了吸盘的表现。虽然在更粗糙的表面上抓力自然会减弱，但吸盘在像2500目砂纸这样足以模拟许多现实世界纹理的材料上依然保持了强劲的抓力。在一项耐力测试中，机器人在一扇钢门上爬行，并在坠落前坚持了三个小时四十五分钟，证明了这种被动抓取在长时间内是可靠的。
最令人印象深刻的结果来自研究人员测试机器人能承载多少重量。机器人自身的重量为3.532千克。他们给机器人系上一条链条，并开始不断增加重量，直到它无法再向上爬行。机器人成功地在垂直墙面上拉升了额外的7.940千克重量，总负荷能力达到了11.472千克。这意味着机器人可以携带自身重量两倍以上的载荷，比例为2.25比1。对于一个无需消耗电力来维持抓力的机器人来说，这是一个显著的成就，其表现优于许多现有的被动吸附机器人，后者往往连自身的质量都难以承载。研究人员还通过让机器人倒挂在实验台下方爬行，以及在白板上横向移动（甚至在移动时使用安装好的擦板擦除文字）来展示其多功能性。
尽管取得了这些成功，研究人员也明确指出了当前设计的局限性。该机器人仅适用于相对光滑的表面；它无法在砖块或混凝土等多孔材料上爬行，因为吸盘无法在粗糙、不平整的地面上形成紧密的密封。此外，机器人只能沿直线移动，无法转向或绕过转角，这限制了它在复杂环境中的机动能力。同时，它需要人工将其放置在墙边才能开始爬行，而不能自主地从地面过渡到墙面。然而，这项研究证明了使用双稳态吸盘的概念是可行且有效的。通过解决“粘附所需力”与“保持抓力所需力”之间的权衡问题，这种新设计为开发更高效、高容量的、无需电池或复杂动力系统的垂直表面自动化作业机器人提供了一条充满希望的路径。
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