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这是啥黑科技？军用爬墙机器人为啥能在垂直墙面如履平地？

百科 2024-12-22 18:03 北京

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要不说兔子家的演习总能爆出来黑科技嘛，前有中泰“突击-2024”联训解放军遛机器狗，后有中新“合作-2024”联训亮相爬墙机器人。

在这场演习中，中方队员们利用爬墙侦察机器人精准掌握暴恐分子的人数、位置和动向，那这款可沿楼宇墙面爬行，进行抵近式隐蔽侦察的特种机器人到底是怎么飞檐走壁的呢？

爬墙机器人其实有两大核心，一是能在各种墙面上如履平地的吸附技术，二是能在垂直与水平面自由切换的运动机构。

吸附是爬墙机器人首先要解决的难题，无论是冷冰的玻璃、高耸的水泥墙面，还是光滑的瓷砖、甚至可能带有弧度的金属表层上，它必须在都能稳定停留。

我们知道，人类攀岩手脚都得找凸起点，壁虎用爪子上的微小绒毛结构来增大摩擦力，机器人要想趴在墙上，就需要一种强大的、可调节的吸附系统。

当前较为成熟的方案是负压吸附，通过特殊设计的密封垫圈和微型真空泵，机器人在紧贴墙面时能迅速抽走接触面与外界之间的空气。

当这个个密封空间内的空气被部分抽走后，内部气压低于外部大气压，外面更高的气压就会“迫不及待”地把接触面紧紧压在一起。

你可以想象一下，拿一个带有吸盘的挂钩，用力压在光滑的墙面或玻璃上，然后轻轻一拉，挂钩就很难拉下来了，这种常见的生活现象正是负压吸附的基本原理。

而爬墙机器人就是利用这个原理在垂直墙面上稳稳地“站”住的，负压吸附说起来并不复杂，本质是利用压力差造成的吸附力。

▲某型爬墙机器人内部结构示意图，中间圆形部分即为负压吸附装置

要在现实中实现这种吸附效果，爬墙机器人需要几个关键部件，首先是特殊设计的“吸附模块”，通常包括带有密封垫圈的吸盘结构。

这个垫圈必须有良好的弹性和适应性，能够与墙面紧密贴合，把空气密封起来。由于墙面材质千差万别，有的很光滑，有的粗糙不平，如果密封性能不好，空气容易漏进去，负压就无法维持。

比如，当爬墙机器人攀爬玻璃幕墙时，平滑表面有利于贴合，但若有水滴或灰尘，就会影响密封效果，这时控制系统可能会通过传感器检测吸附力降低，从而增加抽气力度，或命令机器人稍作移动，选取更干净的接触点。

当面对粗糙的混凝土表面，柔性垫圈的弹性就起关键作用，它能在凸凹不平的表面中挤压出较好的贴合面。

如果仍有缝隙，机器人控制系统可能会让吸附点稍微移动几毫米，寻找最佳位置。有的设计甚至允许吸附模块进行微小的旋转或偏移，以此找到表面纹理中的相对平整区域。

因此，吸附模块的材料选择很重要，比较常用的方案是采用柔性、耐磨、还能适应轻微表面不平度的橡胶或聚合物材料。

同时，垫圈的设计也会考虑到不同表面的情况，比如设计成环形或多段独立压紧点，以便在微小缝隙和凹凸中仍能保证相对严实的密封。

▲某种负压吸附装置

还有一种思路是分区吸附，这种不是只有一个大吸盘，而是使用多个小型吸附模块组成的阵列。这样万一其中某一模块在某点的吸附效果不好，其他模块还可以分担压力，整体依然保持足够的附着力。

同时，多模块设计也方便机器人进行分区管理，通过智能控制，让每个小吸附单元各司其职，针对局部减压或泄漏做精准补偿，这样“吸盘阵列”就能像一个团队共同努力抓牢墙面。

有了密封结构，接下来就要排气了，在机器人内部，会安装微型真空泵或者气流抽取装置，当机器人将吸附模块贴上墙面，它的控制系统会启动这些泵，把吸附模块内部的空气不断抽出，让内部气压下降。

再就是为了解决能耗和噪音问题，爬墙机器人往往还要在内部设计了一个循环系统，把部分抽出的空气导向内部的特殊舱室，再利用控制阀门和精密调节，让内外气压在微观层面处于平衡状态，减少频繁抽气的需要。

这样既能降低能耗，又有利于减小噪音，保持侦察等隐蔽任务的静音要求，像现在做得比较好的负压吸附系统可以使得机器人噪音控制在50分贝以下，非常利于军事侦察任务，在此次联合训练中亮相的克莱明爬墙侦察机器人，使用的应该就是负压吸附方式，

除了负压吸附，还有磁性吸附，主要是通过调节电流强弱改变磁力大小，使机器人像一只掌握磁场的机械昆虫一样，牢牢贴在在具有金属成分的墙体上，不过这种方式局限性比较大，毕竟要是墙面不具备磁性，磁力再强也无济于事。

另有一些仿生学思路试图模仿壁虎脚掌的分形结构，让机器人足部使用大量微纳米级细纤维与墙面产生范德华力，实现如同壁虎般的“干粘附”效果，但这类技术尚在探索阶段，所以，目前较为成熟和通用的仍是负压式吸附。

有了吸附能力，机器人便能呆在墙上，但这只是第一步，接下来它还需要在墙面上移动，这就要处理重力方向与传统地面运动大不相同的挑战了。

地面行走中，轮式或履带式的移动方式已经很成熟，可在墙上，轮子贴着垂直面转动，阻力、摩擦力和平衡感都与平时截然不同。

我们知道，当你在攀岩时，一般会先用一只手抓牢岩壁，再抬起另一只手寻找下一个支点，然后换脚，再换手，在这个过程中，你不可能同时放开所有抓点，否则你会掉下去。

爬墙机器人也是如此，它使用多个吸附模块，每次移动时，至少保留部分吸附点牢固贴紧墙面，然后放开其他吸附点进行位移，当新的吸附点稳固后，再次交替释放旧的吸附点。

当然了，这个过程需要精确的时序控制和力学计算，以确保机器人在整个移动过程中始终有牢固的“抓点”，在切换吸附点的那一瞬间不会产生振荡和滑落。

另一个关键是运动机构的柔性驱动设计，由于爬墙机器人面对的墙面有时并不平整，甚至有弧度、凹槽或突起。

柔性驱动的就是让机器人能通过软性材料、弹性元件或柔性关节，在遇到不平整的表面时，能像攀爬生物一样灵活扭动身体适应环境。

在爬行过程中，柔性驱动可根据传感器的反馈快速调整驱动力方向与大小，使机器人能够在垂直方向上灵活转向，避开障碍或找到更适合吸附的区域。

柔性驱动有很多种，有的采用类似于气囊或柔性材质的驱动器，通过充气或抽气改变其形状，类似于软体机器人那样弯曲变形，实现贴合墙面的动作。

有的使用智能材料，如形状记忆合金，通过温度控制改变构件的形变特性，使机器人像拥有肌肉和关节一样，在柔性驱动和吸附-移动交替模式的双重加持下，爬墙机器人就实现了动态适应。

▲基于形状记忆合金弹簧驱动柔性脊柱的仿壁虎机器人

或许在未来，爬墙机器人将变得更加智能、更具适应性，帮助人类到达危险而不可及的垂直空间。

而这一切的基础，正是看似不起眼但其实玄妙非常的吸附技术与运动机构设计，它们是一切垂直奇迹的真正背后推手。

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