一款设计成“长腿爹地”蜘蛛形象的机器人可能即将帮助科学家探索火星上的下一个前沿领域：洞穴。这款名为 ReachBot 的机器的部分原型已经展示了其能力，正如周三发表在《科学机器人》杂志上的一项研究中所述，它可以抓住加利福尼亚州莫哈韦沙漠天然洞穴的不平墙壁。
测试表明，ReachBot 独特的抓握机制和蜘蛛纲动物的结构可能对地外探险有用。“如果你真的想探索[火星]洞穴内部的各个角落，ReachBot 将是难以匹敌的，”高级研究作者、斯坦福大学机械工程教授马克·库特科斯基说。
已经有六辆探测车成功登陆火星，但该行星的大部分地区仍未被探索——包括其洞穴和熔岩管，即由熔岩形成的地下通道。“除了地震测量和穿透雷达外，地下从未真正被检查过，”亚利桑那大学工程学副教授、爱德华和玛丽亚·基奥尼吉安捐赠教席沃尔夫冈·芬克说，他没有参与 ReachBot 的研究。一些天体生物学家认为，这个广阔的地下网络可能是火星上最有可能蕴藏过去或现在外星生命迹象的地点。洞穴也可能是人类居住的潜在场所。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
在距离地球 1.4 亿英里的不规则、未绘制地图和下降地形中导航显然需要一些高度专业化的设备。为火星洞穴探索提出的其他机器人包括类似犬科动物的四足NeBula-SPOT和熔岩地下结构深度自主下降与探索 (DEADALUS) 设备，后者将通过系绳从地面钻机悬挂到坑中。芬克说，像 ReachBot 这样的抓握机器可能提供一些优势——例如，能够进入地面探测车或短程飞行无人机无法触及的墙壁和天花板区域。ReachBot 强大的肢体也可能钻取岩芯样本并执行其他强力任务。
为了制造能够穿越大面积区域且仍然轻巧灵活的装置，库特科斯基和他的同事从蜘蛛纲动物中获得了灵感——特别是被称为 harvestmen 的长腿蜘蛛亲戚，又名长腿爹地。ReachBot 有一个小的中央主体和最多八个附肢。这些肢体，或称臂杆，可以是刚性的或卷起来的，就像金属卷尺一样。（在小规模实验室测试中，工程师们使用普通卷尺作为更昂贵的碳纤维材料的替代品，这些碳纤维材料将用于太空。）
每个臂杆的末端是一个三指夹爪，配备了由缝纫针制成的“微刺”，这有助于机器人牢固地抓住粗糙的岩石。这些夹爪通过在每个臂杆上保持均匀的张力来稳定机器人，库特科斯基将这种功能比作“自行车轮上的辐条”。中央主体和夹爪上的摄像头和传感器使 ReachBot 能够感知周围环境并选择放置其机械手的位置。这款缓慢移动的机器人旨在通过一次拆卸和重新定位一个臂杆来有条不紊地前进，而中央主体则随着臂杆的伸展和收缩而移动位置。
“从纯粹的机器人技术的角度来看，这是一个非常棒的想法，”芬克说。不过，他对像 ReachBot 这样复杂的机器人在火星洞穴中可能如何保持完好表示担忧，因为在那里可能会发生很多错误，而且维修很困难。“人们几乎更喜欢更简单的东西，”他说，他指的是美国宇航局喷气推进实验室的沙滩球式风滚草探测车概念设计。
库特科斯基说，最大限度地减少脆弱性和管理运动部件是持续关注的问题，但他指出，ReachBot 内置了一些保护性冗余；一两个损坏的肢体不会阻止其发挥作用。库珀联盟科学与艺术促进会的机械工程助理教授、未参与这项新研究的机器人研究员米歇尔·罗森也看到了八个附肢的价值。“像这样的冗余是一件非常好的事情，尤其是在你考虑行星探索时，”她说，并补充说，概念验证工作“非常引人注目”。
ReachBot 的三指夹爪牢固地抓住洞穴墙壁中的把手。
BDML 斯坦福大学
2023 年，首席研究作者、斯坦福大学机器人专家陈东尼与他的一些共同研究人员徒步穿越莫哈韦沙漠，前往一个因其可能与火星洞穴相似而被选中的熔岩管。他们在那里用安装在三脚架上的单臂杆版本的 ReachBot 进行了测试，以了解它在熔岩管壁上识别抓握点的效果。陈说，感知系统“效果非常好”，可以定位合适的机器人把手。机器人的臂杆和夹爪机构也如预期的那样工作，伸向这些点并牢固抓握。
但团队没有计划到的一件事是熔岩管内存在的磁性尘埃量之大。含铁的污垢在为期三天的测试中没有使 ReachBot 失灵，但“机器人内部积聚了如此多的灰尘”，这可能会构成长期问题，陈指出。未来的设计将不得不处理此类侵入，特别是如果像 ReachBot 这样的机器注定要前往遥远、尘土飞扬的世界。“我们离真正登上火星还很遥远，”陈说。这对于地球上的机器人原型来说是一小步抓握，暗示着我们在了解其他行星表面之下隐藏着什么方面迈出了一大步。